JP2003083128A

JP2003083128A - 直噴式火花点火機関の制御装置

Info

Publication number: JP2003083128A
Application number: JP2001277076A
Authority: JP
Inventors: Iwao Yoshida; 岩雄吉田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2003-03-19
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: JP4075341B2

Abstract

(57)【要約】【課題】排気熱を利用した触媒活性化を、有害排気成分
の放出を防止するとともに低燃費で実現する。【解決手段】冷態始動時において、始動のために均質燃
焼を行った後、所定条件が成立した（ピストン冠面温度
が所定温度以上となった）ことをもって排気昇温成層燃
焼に直接切り換える。排気昇温成層燃焼では、燃焼室全
体の空燃比を理論空燃比若しくはそれよりも若干リーン
とする要求燃料量を１燃焼行程当たりの全噴射量とし
て、これを圧縮行程に噴射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直噴式火花点火機
関の制御装置に関し、詳細には、この種の内燃機関に係
る排気後処理用触媒を、始動後に排気ガスによって活性
温度にまで速やかに加熱するための燃焼制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、燃焼室内に燃料を直接噴射して点
火燃焼させる直噴式火花点火機関により、燃費と出力と
の両立が図られている。この種の内燃機関では、運転状
態に応じて燃焼形態を切り換えるのが一般的である。す
なわち、燃料を吸気行程に噴射することにより燃焼室内
に拡散させ、混合気を均質に形成して行う均質燃焼と、
燃料を圧縮行程に噴射することにより点火プラグ近傍に
局所的に分布させ、混合気を層状に形成して行う成層燃
焼とである。

【０００３】さて、このような直噴式火花点火機関にお
いても、有害排気成分の大気中への放出を抑止するた
め、排気通路には触媒装置が設けられている。そして、
触媒は、活性状態となる適正温度域にないと有効に機能
せず、有害排気成分を未浄化のまま垂れ流してしまうた
め、触媒をこの温度域に保持することが重要となる。従
って、長期停止後の冷態始動時や、排気温度が低い運転
状態が継続したために触媒温度が適正温度域を外れて低
下したときには、触媒を加熱して、適正温度域にまで速
やかに昇温させる必要がある。特に、冷態始動時では、
点火プラグ周りの混合気の空燃比を略一定とするために
燃料を若干多めに噴射しているので、触媒を早期に活性
化し、有害排気成分の垂流しを早い段階から抑止する必
要性が一層高い。

【０００４】直噴式火花点火機関において触媒を加熱す
るための公知技術として、特開２０００−２４０４８５
号公報には、燃焼室全体の空燃比を通常よりも低く設定
し、理論空燃比若しくはこれよりも若干希薄側とした成
層燃焼を行うことが開示されている。すなわち、点火プ
ラグ周りの空燃比を通常の成層燃焼よりも低くした状態
で点火することにより不完全燃焼を起こし、その結果生
成された未燃炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が
筒内に残っている酸素と後反応するときに発生する熱を
利用して、触媒を加熱するのである。

【０００５】そして、同公報には、冷態始動に際して、
始動のために均質燃焼を行った後、上記のように空燃比
が調整された成層燃焼へ移行する前に、触媒を予めある
程度昇温させておくべく、吸気行程若しくは圧縮行程に
機関出力のための主噴射を行うとともに、膨張行程にポ
スト噴射を行って、このときに噴射された燃料の後燃え
により排気温度を上昇させることが開示されている。

【０００６】また、冷態始動時に触媒を排気ガスにより
加熱するための他の公知技術として、本出願人に係る先
願の公開公報（特開平１１−３２４７６５号）には、始
動のために均質燃焼を行った後、所定条件（ピストン温
度が所定温度以上となっていること）が成立したことを
もって、均質燃焼から成層ストイキ燃焼に切り換えるこ
とが開示されている。

【０００７】ここで、成層ストイキ燃焼とは、同公報に
よれば、「１燃焼行程当たりの吸入空気量で略完全燃焼
させることができる総燃料量のうち、５０〜９０％ほど
を吸気行程で噴射するとともに、残りの５０〜１０％ほ
どを圧縮行程で噴射することにより、燃焼室全体に分布
する比較的リーンな混合気と、点火プラグ周りに分布す
る比較的リッチな混合気とを層状に形成して行う成層燃
焼」である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開２０００−２４０４８５号公報に開示されるように、
冷態始動時に触媒を活性化させるべく、始動のために吸
気行程噴射による均質燃焼を行ってから、触媒を予熱す
るためにポスト噴射を含む複段噴射による運転を介し
て、圧縮行程噴射による成層燃焼に切り換えることに
は、燃費上の問題がある。ポスト噴射により供給された
燃料は機関出力に寄与しないためである。また、この方
法には、冷態始動後、燃焼室が未だ充分に暖まっていな
い状態でポスト噴射が行われると、燃料の燃え残りが発
生し、これが大気中に放出されてしまうという排気面で
の問題もある。

【０００９】一方、上記特開平１１−３２４７６５号公
報に開示されるように、始動のために均質燃焼を行った
後、複段噴射による成層ストイキ燃焼に切り換えること
にも燃費悪化の懸念がある。先行する吸気行程噴射によ
って空燃比の比較的高い混合気が燃焼室内に一様に形成
されることにより、後行する圧縮行程噴射によって形成
される混合気との間に燃料濃度の差が生じると、燃焼効
率が低下してしまい、一定のトルクを得るために必要と
なる燃料量がより多くなるからである。また、この方法
にも、触媒活性前にＨＣの排出を更に抑制すべきである
という点で改善の余地がある。

【００１０】本発明の目的は、排気ガスを利用して触媒
を早期に活性化させることであり、特に、冷態始動時に
おいて低燃費でこれを実現するとともに、その際にＨＣ
の排出を更に抑制する点にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に記
載の発明では、（Ａ）燃料を筒内に直接噴射する燃料噴
射手段、及び（Ｂ）運転条件に応じて、前記手段により
燃料を吸気行程に噴射させて行う均質燃焼と、前記手段
により燃料を圧縮行程に噴射させて行う成層燃焼とを切
り換える燃焼制御手段を備える直噴式火花点火機関にお
いて、機関始動の際にまず均質燃焼を行わせ、所定条件
が成立したことをもって均質燃焼から（複段噴射を伴う
運転を介することなく）成層燃焼に直接切り換えること
とした。かかる成層燃焼では、燃焼室全体の空燃比を理
論空燃比又はこれよりも若干希薄側とするための要求燃
料量を１燃焼行程当たりの全噴射量として、これを圧縮
行程に噴射させ、点火プラグ周りの空燃比を理論空燃比
よりも低く（若干程度であるのが好適である）制御す
る。そして、成層燃焼により未燃ＨＣ等の不完全燃焼生
成物を発生させ、これを筒内に残っている酸素と後反応
させて、排気温度を上昇させる。本明細書では、空燃比
を上記のように調整して排気温度を上昇させる成層燃焼
を、特に「排気昇温成層燃焼」とも言う。

【００１２】請求項２に記載の発明では、上記所定条件
を、ピストン冠面温度（冠面温度）が高温状態を示す所
定温度以上であると判定されるときに成立させることと
した。成層燃焼では燃料噴霧の輸送にピストン冠面が積
極的に利用されるところ、その温度が適正域を逸脱して
低い間は、混合気が良好に形成され難いと考えられるか
らである。なお、上記判定は、冠面温度をサーモカップ
ル等により直接検出して行っても、また、これと相関す
るパラメータに基づいて行ってもよい。

【００１３】請求項３に記載の発明では、冠面温度に相
関するパラメータとして擬似水温を採用し、これが所定
温度以上であることをもって冠面温度が上記所定温度以
上であると判定することとした。ここで、擬似水温と
は、始動時冷却水温度に応じた初期値と、所定周期毎の
吸入空気量に応じた遅れ補正係数とに基づいて、冷却水
温度の変化に対して遅れを持たせて算出される。

【００１４】請求項４に記載の発明では、燃料性状を推
定する燃料性状推定手段を設けるとともに、上記燃焼室
全体の空燃比を理論空燃比又はこれよりも若干希薄側と
するための要求燃料量を、推定された燃料性状に応じて
補正して算出することとした。燃料性状は給油ステーシ
ョン毎に多少差があるので、常に同じ性状の燃料が給油
されるとは限らない。加えて、機関制御系統は、重質燃
料に適合するように設計されるのが一般的である。この
ため、タンクに貯蔵されている燃料が設定よりも軽質と
なり、燃料の揮発性が高くなった状態で重質燃料につい
ての設定通りに噴射を実行すると、点火プラグ周りの空
燃比が過度に低くなってしまい、燃焼が成立しない（失
火する）惧れがあるからである。

【００１５】請求項５に記載の発明では、推定された燃
料性状に応じて燃料が軽質であるほど要求燃料量を大き
く減量補正することとした。使用燃料が軽質であれば、
それだけ揮発性が高く気化し易いので、重質燃料による
場合と比較して少ない量の燃料を噴射することにより、
点火プラグ周りの空燃比を常に適正域内に保持するため
である。

【００１６】請求項６に記載の発明では、燃料性状に応
じた補正量を機関回転数に基づいて決定することとし、
また、請求項７に記載の発明では、この補正量に応じて
機関回転数が低いときほど燃料噴射量を増量することと
した。機関が低速で回転しているときは、筒内における
ガス流動が弱く、燃料が気化し難いからである。請求項
８に記載の発明では、燃料性状に応じた補正量を機関温
度に基づいて決定することとし、また、請求項９に記載
の発明では、この補正量に応じて冷却水温度が低いとき
ほど燃料噴射量を増量することとした。

【００１７】請求項１０に記載の発明では、燃料性状に
応じた補正を要求燃料量のオープン制御中に行うことと
した。請求項１１に記載の発明では、燃料性状に応じた
補正を要求燃料量のフィードバック制御中に行うことと
した。請求項１２に記載の発明では、燃料性状推定手段
による推定が終了している場合にのみ上記切換えを許可
することとした。すなわち、現状の燃焼性状が既に推定
されており、かつ上記所定条件が成立して初めて排気昇
温成層燃焼が行われることとなる。

【００１８】請求項１３に記載の発明では、上記燃焼室
全体の空燃比を理論空燃比又はこれよりも若干希薄側と
するための要求燃料量を目標空燃比に基づいて算出する
とともに、上記切換直後に目標空燃比の移行期間を設
け、その期間では、目標空燃比を移行完了後のものより
も低く設定して要求燃料量を算出することとした。排気
昇温成層燃焼に切り換えられた後、燃焼室壁面が未だ充
分に暖められていないうちは、この壁面に付着した燃料
（壁面付着燃料成分）が気化し難く、点火プラグ周りの
空燃比に適正域からのズレが生じる惧れがある。そこ
で、切換直後に目標空燃比を低めとする期間を設け、そ
の期間では燃料を多めに噴射することにより、このよう
なズレを防止するのである。

【００１９】請求項１４に記載の発明では、上記移行期
間において、目標空燃比を所定の変化率で上昇させるこ
ととした。そして、請求項１５に記載の発明では、上記
変化率を機関温度に基づいて設定することとし、また、
請求項１６に記載の発明では、これを冷却水温度が高い
ときほど大きな値として、切換えを速やかに完了させる
こととした。

【００２０】請求項１７に記載の発明では、排気通路に
排気後処理用触媒を備える機関において以上の発明を適
用することとした。請求項１８に記載の発明では、上記
切換後の成層燃焼（すなわち、排気昇温成層燃焼）にお
いて、燃料噴射時期を圧縮上死点前５０〜８０°の範囲
内で設定することとした。

【００２１】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、始動後
に、均質燃焼から排気昇温成層燃焼に直接切り換えるこ
とにより、機関（触媒装置を備えるものにあっては、特
にその触媒）を低燃費で暖機できる。また、暖機完了ま
でに排出されるＨＣの量をこれまで以上に削減できる。

【００２２】請求項２に係る発明によれば、冠面温度が
高温状態となった後に排気昇温成層燃焼を行うことによ
り、ピストン冠面を利用して点火プラグ周りに混合気を
良好に形成できる。請求項３に係る発明によれば、冠面
温度が高温状態となったことを擬似水温により容易、か
つ比較的正確に判定できる。

【００２３】請求項４に係る発明によれば、排気昇温成
層燃焼を行う際に燃料性状に応じて燃料噴射量を補正す
ることとしたので、点火プラグ周りの混合気（プラグ周
り混合気）を燃料性状の違いによらず常に適正な空燃比
に制御できる。このため、点火プラグ周りに発生する不
完全燃焼生成物を筒内に残っている酸素と後反応させ
て、燃焼し切ることが可能である。

【００２４】請求項５に係る発明によれば、燃料が軽質
であるほど燃料噴射量を大きく減量補正することによ
り、揮発性の高さに起因して点火プラグ周りの空燃比が
適正域から逸脱して低下することによる失火を防止でき
る。請求項６に係る発明によれば、補正量を機関回転数
に基づいて決定することにより、ガス流動が速さに対応
して燃料噴射量を補正できる。特に、請求項７に係る発
明により低回転数であるときほど、すなわち、ガス流動
が未発達であるときほど燃料噴射量を増量することで、
気化しない壁面付着燃料成分を補い、プラグ周り混合気
の空燃比を一層正確に制御できる。

【００２５】請求項８に係る発明によれば、補正量を機
関温度に基づいて決定することにより、暖機状態に対応
して燃料噴射量を補正できる。特に、請求項９に係る発
明により冷却水温度が低いときほど、すなわち、暖機が
進んでおらず、壁面付着燃料成分が気化し難いときほど
燃料噴射量を増量することにより、プラグ周り混合気の
空燃比を一層正確に制御できる。

【００２６】請求項１０に係る発明によれば、燃料性状
に応じた補正を燃料噴射量のオープン制御中に行うこと
により、燃料性状の違いによる記憶値に対する空燃比の
バラツキを補償できる。請求項１１に係る発明によれ
ば、燃料性状に応じた補正を燃料噴射量のフィードバッ
ク制御中に行うことにより、目標空燃比を正確に達成で
きるので、排気温度の上昇に必要な量の燃料を正確に供
給し、あるいは不完全燃焼生成物の後反応に必要な酸素
を正確に確保できる。

【００２７】請求項１２に係る発明によれば、燃料性状
推定が終了していないうちは排気昇温成層燃焼が行われ
ないので、不正確な燃料性状に基づく補正によってプラ
グ周り混合気の空燃比が却ってばらついて、燃焼が不安
定となることを防止できる。請求項１３に係る発明によ
れば、排気昇温成層燃焼への切換直後に目標空燃比が低
めに設定され、その間に燃料噴射量が多めに噴射される
ので、プラグ周り混合気が適正域を外れて高くなること
を防止できる。

【００２８】請求項１４に係る発明によれば、移行期間
において、目標空燃比を所定の変化率をもって上昇させ
ることにより、燃焼室の暖機の進行に追従させて目標空
燃比を設定できる。請求項１５に係る発明によれば、上
記変化率を機関温度に基づいて設定することにより、燃
焼室の暖気状態に容易に適合させることができ、特に、
請求項１６に係る発明により冷却水温度が高いときほど
この変化率を大きくして、切換えを速やかに完了させる
ことで、高温となった場合に燃料噴射量が過多となり、
プラグ周り混合気が過度に濃くなることを防止できる。

【００２９】請求項１７に係る発明によれば、排気後処
理用触媒を始動後速やかに活性化させることができる。
請求項１８に係る発明によれば、排気昇温成層燃焼に際
して燃料噴射時期が的確なものとされ、点火プラグ周り
の空燃比を良好に制御できる。特に、この領域の空燃比
が過度に低くなることによる失火を防止できる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実
施形態に係る直噴式火花点火機関（エンジン）の構成を
示している。エンジン本体１のシリンダヘッド（図中、
二点鎖線Ｃで示す）には、吸気管２が接続されており、
その導入部にエアクリーナ（図示せず）が取り付けられ
ている。吸入空気は、エアクリーナを介した後、電子制
御式スロットル弁３による制御を受けてサージタンク４
に流入し、これに接続する吸気マニホールドにおいて各
気筒に分配される。なお、本実施形態では、吸入空気の
筒内おける旋回流動を形成するため、スワールコントロ
ールバルブ５が設けられている。

【００３１】燃焼室には、その上部略中央に臨んで点火
プラグ６が設置されるとともに、吸気ポートの下側に臨
んで燃料噴射手段としての高圧インジェクタ７が設置さ
れている。インジェクタ７は、後述する電子制御ユニッ
トからの制御信号に基づいて開弁駆動し、図示しない燃
料ポンプにより圧送された燃料を筒内に直接噴射する。
インジェクタ７に供給される燃料は、プレッシャレギュ
レータにより所定圧力に調整されるように構成される。
燃焼により発生した仕事は、ピストン８からコンロッド
９を介してクランクシャフト１０に伝わり、回転運動と
して取り出される。

【００３２】また、シリンダヘッドには排気管１１が接
続されており、排気マニホールドの下流に排気後処理装
置（触媒コンバータ）１２が介装されている。ここに備
わる触媒としては、理論空燃比近傍で炭化水素（ＨＣ）
及び一酸化炭素（ＣＯ）の酸化と、窒素酸化物（ＮＯ
ｘ）の還元とを効率良く達成する三元触媒や、ＨＣ及び
ＣＯを酸化させる酸化触媒が採用される。排気ガスは、
排気後処理装置１２を介した後、大気中に放出される。

【００３３】電子制御ユニット（ＥＣＵ）２１は、ＣＰ
Ｕ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インター
フェースを含んで構成されるマイクロコンピュータから
なり、現状の運転状態を示す指標として、エンジン回転
数Ｎｅを検出するためのクランク角センサ３１からの検
出信号（単位クランク角信号若しくは基準クランク角信
号）、機関冷却水の温度（冷却水温度）Ｔｗを検出する
ための水温センサ３２からの検出信号、吸入空気量Ｑａ
を検出するためのエアフローメータ３３からの検出信
号、スロットル弁３の開度（ストッロル開度）ＴＶＯを
検出するためのスロットルセンサ３４からの検出信号、
及び運転者のアクセル操作量（アクセル開度）ＡＰＯを
検出するためのアクセルセンサ３５からの検出信号が入
力される。アクセルセンサ３５は、アイドルスイッチと
しても使用できる。

【００３４】また、これらに加え、排気管１１には、触
媒コンバータ１２の上下流に空燃比センサ３６，３７が
それぞれ設置されており、これらの検出信号もＥＣＵ２
１に入力される。上流側空燃比センサ３６には、排気ガ
ス中の特性成分（例えば、酸素）の濃度に応じてリーン
若しくはリッチを示す信号を出力するタイプのものや、
あるいは空燃比を広範囲に渡って線形的に検出するタイ
プのものが採用される。下流側空燃比センサ３７には、
排気ガス中の特定成分（例えば、酸素）の濃度に応じて
リーン若しくはリッチを示す信号を出力するタイプのも
のを採用するのが好適である。

【００３５】ＥＣＵ２１は、下流側空燃比センサ３７か
らの入力信号に基づいて上流側空燃比センサ３６からの
入力信号に基づく空燃比フィードバック制御を補正する
ことにより、上流側空燃比センサ３６の劣化等による制
御誤差の発生を防止する。なお、このような補償を行わ
ないのであれば、下流側空燃比センサ３７は不要であ
り、また、空燃比フィードバック制御自体を行わないの
であれば、これらの空燃比センサ３６及び３７は共に不
要となる。

【００３６】ＥＣＵ２１は、以上の各種センサからの入
力信号に基づいてインジェクタ７を制御し、運転領域毎
に設定された所定時期に燃料を噴射させる。具体的に
は、低負荷及び中負荷域においては圧縮行程に燃料を噴
射させ（図２（ａ））、点火プラグ６近傍に可燃混合気
を層状に形成して成層燃焼を行わせる。一方、高負荷域
においては吸気行程に燃料を噴射させ（同図（ｂ））、
筒内全体に混合気をほぼ均一に形成して均質燃焼を行わ
せる。

【００３７】また、ＥＣＵ２１は、点火プラグ６を所定
時期に作動させて点火動作を行わせるほか、スロットル
弁３の駆動装置（直流モータ）４１を制御する。具体的
には、アクセル開度ＡＰＯ等に基づいて算出される要求
トルクを達成できる位置にスロットル弁３を制御する。
図３は、ＥＣＵ２１により実行される制御のうち、始動
時に触媒活性化のために行われる燃焼制御のフローチャ
ートである。

【００３８】Ｓ（ステップ）１では、キースイッチ３８
のイグニッション信号がオンされたか、換言すれば、キ
ーがイグニションオン位置とされたか否かを判定する。
イグニションオン位置とされたと判定した場合は、Ｓ２
へ進み、イグニッションオン位置とされないうちは、エ
ンジンが停止している状態であるので、何もなされな
い。

【００３９】Ｓ２では、キースイッチ３８のスタート信
号がオンされたか、換言すれば、キーがスタート位置と
されたか否かを判定する。スタート位置とされたと判定
した場合は、クランキング要求があるものと判断してＳ
３へ進み、スタータモータを駆動してクランキングを行
わせるとともに、吸気行程噴射によりエンジンを始動さ
せる。その後、スタート信号がオフされたときに、エン
ジンが始動したものと判断してＳ４へ進む。なお、クラ
ンキング中は、Ｓ１〜３の処理が繰り返される。

【００４０】Ｓ４では、自立回転維持と、その後の暖機
運転継続とのため、吸気行程噴射による均質燃焼が行わ
れる。このときの空燃比は、始動後増量補正係数Ｋａｓ
によりリッチに制御される。Ｓ５では、触媒が活性化し
ているか否かを判定する。この判定は、例えば、後述す
る図７に示すように、下流側空燃比センサ（酸素セン
サ）３７が活性化しているか否かを判定することで代替
できる。または、冷却水温度Ｔｗ若しくは潤滑油温度等
を検出して、触媒又はその出口温度を推定し、その結果
に基づいて触媒が活性化したか否かを判定したり、さら
に、触媒又はその出口温度を直接検出して判定してもよ
い。触媒が活性化していないと判定した場合は、Ｓ６へ
進み、触媒が活性化していると判定した場合は、触媒活
性化のための制御は不要であるので、本ルーチンを終了
する（通常の燃焼制御を行う）。

【００４１】Ｓ６では、ピストン８（特に、その冠面に
形成されたボウル部（図２の符号８ａ））の表面温度
（冠面温度）に基づいて、成層燃焼への切換えが可能で
あるか否かを判定する。この判定は、冠面温度が所定温
度以上となっているか否かを判定することにより行い、
例えば、後述する図９に示すように冠面温度と相関する
パラメータである擬似水温Ｔｗｆを採用すると好適であ
る。または、冷却水温度Ｔｗ若しくは潤滑油温度から冠
面温度を推定し、その結果に基づいて判定したり、ある
いはピストン８にサーモカップルを埋め込んで、冠面温
度を直接検出して判定してもよい。そして、上記所定温
度は、ピストン冠面を利用した混合気形成（ボウル部８
ａにより燃料噴霧を案内する）が良好に達成できる程度
の温度に設定する。判定の結果、冠面温度が所定温度以
上となっていれば、Ｓ７ヘ進み、所定温度に達していな
いうちは、ピストン冠面上での気化が促進されずに燃焼
安定性に悪影響を与えるため、Ｓ４へ戻り、均質燃焼に
よる運転を継続させる。

【００４２】Ｓ７では、燃料性状が既に推定されている
か否かを判定する。この判定は、後述する図１２に示す
ようにして行う。なお、燃料性状は、本出願人に係る先
願の公開公報（特開２０００−２９７６８９号）に開示
された方法により推定するのが好適である。この方法
は、所謂学習制御によるものであり、概略次の通りであ
る。始動時に所定の燃料性状推定・実施許可条件を満足
したことをもって学習行為を実施する。そして、この条
件成立下で燃料噴射量の変化に対する排気空燃比の応答
波形をサンプリングし、入出力データを解析することに
より燃料性状を推定する。具体的には、プラントモデル
のパラメータを、入出力データに基づいて基準燃料（一
般的には、重質燃料）に対するプラントモデルである規
範モデルとの予測誤差が最小となるように調整して、使
用燃料に対するプラントモデルを同定する。そして、同
定したプラントモデルのカットオフ周波数ｆｃ_Realを算
出し、算出したｆｃ_Realを規範モデルのカットオフ周波
数ｆｃ_Refと比較する。その結果、ｆｃ_Re _al＞ｆｃ_Ref
であれば、使用燃料が基準燃料よりも軽質であると推定
する。

【００４３】Ｓ７において、フラグ等に基づいて燃料性
状推定が終了していると判定した場合は、Ｓ８ヘ進み、
終了していないと判定した場合は、Ｓ４へ戻り、均質燃
焼による運転を継続させる。なお、燃料性状推定に関し
ては、上記方法以外にもセンサによる直接検出等、種々
の方法を採用できる。Ｓ８では、成層燃焼（次ステップ
において述べる排気昇温成層燃焼）の実施許可条件が成
立しているか否かを判定する。この判定は、例えば、後
述する図１３に示すように、排気昇温成層燃焼を安定し
て行える（機関運転性を損なうことがない）運転状態に
あるか否かを判定することにより行う。条件成立と判定
した場合は、Ｓ９へ進み、不成立と判定した場合は、本
ルーチンを終了する（通常の燃焼制御を行う）。

【００４４】Ｓ９では、触媒活性化のために排気温度を
上昇させるべく、燃焼形態を均質燃焼から排気昇温成層
燃焼に切り換える。具体的には、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燃料（理
論空燃比若しくはこれより若干リーンな空燃比の混合気
を形成するために必要な燃料）を、圧縮行程に噴射さ
せ、点火プラグ６近傍に理論空燃比よりも若干リッチな
空燃比の混合気を形成して、成層燃焼させる。点火プラ
グ６近傍にこのような燃料濃度の比較的高い混合気が形
成されれば本発明の効果が得られるので、燃焼室全体の
空燃比としては、１４〜１７程度の範囲内で適宜に選択
してよい。なお、噴射時期は、圧縮上死点前５０〜８０
°の範囲内で設定する。

【００４５】Ｓ１０では、Ｓ５で述べたのと同様の方法
により触媒が活性化したか否かを判定する。活性化した
と判定した場合は、本ルーチンを終了して通常の燃焼制
御に移行し、未だ活性化していないと判定した場合は、
Ｓ９へ戻り、触媒が活性化するまで排気昇温成層燃焼に
よる運転を継続させる。なお、通常の燃焼制御では、運
転状態に応じて燃焼形態を均質ストイキ燃焼、均質リー
ン燃焼及び成層リーン燃焼の間で切り換え、所望の排気
性能、燃費性能及び運転性能（出力、安定性）を達成す
る。

【００４６】なお、本制御では、Ｓ６においてピストン
８の冠面温度が所定温度未満である場合に成層燃焼への
移行を禁止し、燃焼安定性への悪影響を回避したが、触
媒活性化を優先させたい場合には、Ｓ５からＳ７ヘ進む
ようにして、このような処理を省略してもよい。ここ
で、後述することとした各種判定について説明する前
に、燃料噴射量が燃焼形態に応じていかに演算されるか
を説明する。

【００４７】排気昇温成層燃焼以外の燃焼形態による場
合は、燃料噴射量は、概略次のように演算される。ＥＣ
Ｕ２１は、吸入空気量Ｑａ及びエンジン回転数Ｎｅに基
づいて目標空燃比に対応する基本燃料噴射パルス幅（基
本噴射量）Ｔｐｔを算出する。なお、Ｃは定数である。

【００４８】Ｔｐｔ＝Ｃ×Ｑａ／Ｎｅそして、算出されたＴｐｔを水温補正係数Ｋｗ、始動後
増量補正係数Ｋａｓ、空燃比フィードバック補正係数Ｌ
ＡＭＤ及び目標空燃比補正係数Ｚ等により補正し、有効
燃料噴射パルス幅ＣＴＩを算出する。なお、Ｔｓは無効
噴射時間である。

【００４９】ＣＴＩ＝Ｔｐｔ×（１＋Ｋｗ＋Ｋａｓ＋・
・・）×ＬＡＭＤ×Ｚ＋Ｔｓ式中、ＬＡＭＤは、上流側空燃比センサ３６からの入力
信号に基づく空燃比検出結果に応じて比例積分制御等に
より増減されるものであり、これによってＴｐｔを補正
することにより、混合気の空燃比が目標空燃比にフィー
ドバック制御される。なお、排気昇温成層燃焼時などの
空燃比フィードバック補正を行わない場合は、ＬＡＭＤ
は所定値（例えば、１）に固定される。

【００５０】そして、排気昇温成層燃焼による場合は、
燃料噴射量は、次のように演算される。この場合の有効
燃料噴射パルス幅ＣＴＩは、上記噴射量演算式において
Ｔｐｔに係る補正項（例えば、始動後増量補正係数Ｋａ
ｓ）を変更することにより算出される。そこで、図４に
示すフローチャートを参照して、排気昇温成層燃焼時に
おける補正係数Ｋａｓの算出手順について説明する。な
お、本ルーチンは、所定時間（例えば、１０ｍｓ）毎に
ＥＣＵ２１内で実行される。

【００５１】Ｓ２１では、排気昇温制御の実施が許可さ
れているか否かを判定する。許可されていると判定した
場合は、始動後増量補正係数ＫａｓをＮＡＫＡＳに置き
換え、これを排気昇温成層燃焼での補正係数とするた
め、Ｓ２２へ進む。一方、許可されていないと判定した
場合は、冷却水温度Ｔｗに応じた通常の始動後増量補正
係数Ｋａｓを求める。このとき、Ｋａｓは、Ｔｗが高く
なるほど小さな値とされ、目標当量比は、図１４のｔ２
〜５に示すように推移する。

【００５２】Ｓ２２では、水温センサ３２及びクランク
角センサ３１からの入力信号に基づいて冷却水温度Ｔｗ
及びエンジン回転数Ｎｅを検出する。Ｓ２３では、冷却
水温度Ｔｗに基づいて、図５に示すような傾向を有する
マップを参照して始動後増量補正係数の水温補正分ＮＴ
ＫＡＳを読み込む。ＮＴＫＡＳは、概してＴｗが低いと
きほど大きな値に設定される。低水温時には燃焼室壁面
が冷たくなっており、壁面付着燃料成分が気化し難くな
っていると判断できるので、点火プラグ６周りに同じ空
燃比の混合気を形成するために噴射すべき燃料量が多く
なるからである。

【００５３】また、水温補正分ＮＴＫＡＳは、一定水温
に対しても燃料性状に応じて異なる値に設定され、燃料
が軽質であるほど小さな値とされる。軽質燃料は重質燃
料と比較して揮発性が高く、同じ量を噴射したとしても
壁面付着燃料成分が少なくなるので、その分噴射量自体
を減らしておき、燃料性状によらず点火プラグ６周りの
混合気を同じ空燃比とするためである。

【００５４】Ｓ２４では、エンジン回転数Ｎｅに基づい
て、図６に示すような傾向を有するマップを参照して始
動後増量補正係数の回転速度補正分ＮＴＮＫＡＳを読み
込む。ＮＴＮＫＡＳは、概してＮｅが低いときほど大き
な値に設定される。低回転時には筒内のガス流動が弱く
なっており、壁面付着燃料成分が気化し難くなっている
ため、点火プラグ６周りに同じ空燃比の混合気を形成す
るために噴射すべき燃料量が多くなるからである。

【００５５】また、回転速度補正分ＮＴＫＡＳは、一定
回転速度においても燃料性状に応じて異なる値に設定さ
れ、燃料が軽質であるほど小さな値とされる。軽質燃料
の揮発性の高さを考慮して噴射量自体を減らしておき、
点火プラグ６周りの混合気を同じ空燃比とするためであ
る。なお、図５及び６に示したマップを走行中（例え
ば、アイドル域以外の低負荷域）にのみ使用し、アイド
ル時には固定値として設定されたＮＴＫＡＳ及びＮＴＮ
ＫＡＳを使用してもよい。

【００５６】Ｓ２５では、水温補正分ＮＴＫＡＳ及び回
転速度補正分ＮＴＮＫＡＳの積ＮＡＫＡＳを算出する。
Ｓ２６では、最新のＮＡＫＡＳを保存する。保存されて
いるＮＡＫＡＳは、排気昇温成層燃焼時における補正係
数Ｋａｓとして有効燃料噴射パルス幅ＣＴＩの演算に反
映される（Ｋａｓ＝ＮＡＫＡＳ＝ＮＴＫＡＳ×ＮＴＮＫ
ＡＳ）。

【００５７】さて、以下では、後述することとした各種
判定について順次説明することとする。まず、図７に示
すフローチャートを参照して触媒活性判定（図３のＳ
５）について説明する。ここで、始動からの酸素センサ
出力、触媒出入口温度及び触媒転換率の経時変化を図８
に示す。

【００５８】Ｓ４１では、下流側空燃比センサ（酸素セ
ンサ）３７にヒータによる加熱が行われていないか否か
を判定する。行われていないと判定した場合は、Ｓ２２
ヘ進み、行われていると判定した場合は、本ルーチンを
終了する。ヒータによる加熱の影響が大きいため、酸素
センサ３７延いては触媒の活性化判定に誤差が生じる惧
れがあるからである。

【００５９】Ｓ４２では、酸素センサ３７が活性化して
いるか否かを判定する。ここでは、例えば、図８に示す
ように、酸素センサ３７の出力電圧が初期電圧Ｖ０に維
持された状態から所定レベル（Ｖ０＋ｄＶＲ）に達した
ことをもって、活性化したと判断できる。また、これと
は逆に、所定レベル（Ｖ０＋ｄＶＬ）に達したことをも
っても活性化したと判断できる。このように出力電圧の
変位に基づく方法以外にも、酸素センサ３７の出力がリ
ーン又はリッチ側へ所定回数反転したことを持って活性
化したと判断してもよい。触媒が活性化したと判定した
場合は、Ｓ４３へ進み、未だ活性化していないと判定し
た場合は、活性化したと判断するまで同じ判定を繰り返
す。

【００６０】Ｓ４３では、酸素センサ３７が活性化した
ことをもって触媒が活性化したと判断する。触媒の下流
に設置された酸素センサ３７が活性化したのは、触媒出
口温度の上昇によるものであり、触媒出口温度の上昇
は、ＨＣ等の特定排気成分の酸化が促進される状態に至
ったことにより、排気温度が上昇したことによるものだ
からである。

【００６１】Ｓ４４では、酸素センサ３７のヒータに通
電して、このセンサを適正温度域に保持するための制御
を開始する。次に、図９に示すフローチャートを参照し
て成層燃焼切換許可判定（図３のＳ６）について説明す
る。ここでは、前述の通り、ピストン８の冠面温度と相
関する擬似水温Ｔｗｆに基づいて判定しており、始動か
らの冷却水温度Ｔｗ及び擬似水温Ｔｗｆの経時変化を図
１０に示す。

【００６２】Ｓ５１では、擬似水温Ｔｗｆを算出する。
Ｔｗｆは、イグニッション信号がオンされてからの経過
時間ｔの関数として下式により推定演算される。すなわ
ち、始動時水温Ｔｗ［０］に応じた初期値Ｔｗｆ［０］
から始まって、吸入空気量Ｑａに応じて単位時間毎に求
められる遅れ補正係数Ｋｔｗｆずつ一次遅れで現状の冷
却水温度Ｔｗ［ｔ］に向かって収束する。ここで、Ｔｗ
ｆ［０］は、Ｔｗ［０］に基づいて図１０（ａ）に示す
マップにより、またＫｔｗｆは、Ｑａに基づいて同図
（ｂ）に示すマップから、それぞれ読み込まれる。

【００６３】Ｔｗｆ［ｔ］＝Ｔｗ［ｔ］−（Ｔｗ［ｔ］
−Ｔｗｆ［ｔ−１］）×（１−Ｋｔｗｆ）Ｓ５２では、擬似水温Ｔｗｆ［ｔ］が所定温度Ｔｗｆ１
以上であるか否かを判定する。Ｔｗｆ１以上であると判
定した場合は、Ｓ５３へ進み、冠面温度が所定温度以上
となったと判断する。一方、Ｔｗｆ１に達しないうち
は、Ｓ５１へ戻り、新たに算出された擬似水温Ｔｗｆ
［ｔ］について同様の判定を繰り返す。

【００６４】次に、図１２に示すフローチャートを参照
して燃料性状推定終了判定（図３のＳ７）について説明
する。Ｓ６１では、スタータモータが駆動されてエンジ
ン回転数が所定回転数以上となり、その後、スタート信
号がオフされた（キーは、イグニッションオン位置にあ
る）か否かを判定する。スタート信号がオフされないう
ちはクランキング中であるので、燃料性状推定は行われ
ない。従って、この場合は、本ルーチンを終了する。

【００６５】Ｓ６２では、完爆したか否かを判定する。
完爆するまでは燃料性状推定は行われない。Ｓ６３で
は、各種センサからの入力信号が正常であるか否かを判
定する。異常がある場合は燃料性状推定は行われない。
Ｓ６４では、燃料カット中でなく、通常の燃料噴射演算
が実行されているか否かを判定する。燃料カット中（減
速時、スロットル弁３の全閉時等）であると判定された
場合は、燃料性状推定は行われない。

【００６６】以上の判定の結果、キーがイグニッション
オン位置にあり（Ｓ６１）、完爆が済み（Ｓ６２）、い
ずれのセンサ信号にも異常がなく（Ｓ６３）、かつ燃料
カット中でない（Ｓ６４）場合にのみ、Ｓ６５へ進む。
Ｓ６５では、燃料性状推定が済んだことを示すフラグＦ
ＬＧに１を代入し、本ルーチンを終了する。

【００６７】次に、図１３に示すフローチャートを参照
して排気昇温制御・実施許可判定（図３のＳ８）につい
て説明する。Ｓ７１では、各種センサからの入力信号に
基づいて冷却水温度Ｔｗ、エンジン回転数Ｎｅ、トルク
Ｔｑ及び吸入空気量Ｑａを検出する。Ｓ７２では、各検
出値をＥＣＵ２１内に内蔵されているＲＡＭの記憶値と
比較し、それらのいずれもが、安定した排気昇温成層燃
焼のための設定範囲内にあるか否かを判定する。設定範
囲内にあると判定した場合は、Ｓ７３において排気昇温
成層燃焼の実施を許可する一方、設定範囲内にないと判
定した場合は、Ｓ８４においてこれを禁止する。本実施
形態において排気昇温成層燃焼の実施が許可されるの
は、運転状態がアイドル域か又はアイドル域以外の低負
荷域にあるときとする。

【００６８】次に、本実施形態に係る燃焼制御の動作に
ついて、図１４に示すタイムチャートを参照して説明す
る。同チャートは、始動から暖機までの燃焼形態の遷移
に対照して点火時期、スワールコントロールバブル５の
開度、目標当量比及びエンジン回転数の経時変化を示し
ている。本実施形態によれば、時刻ｔ０においてスター
ト信号がオンされると、エンジンのクランキングが行わ
れ、そのときの回転に合わせて点火時期が徐々に進角さ
れる。そして、時刻ｔ１において完爆が済んでスタート
信号がオフされると、点火時期は、冷却水温度Ｔｗ及び
エンジン回転数Ｎｅに対応して設定された所定時期に固
定される。

【００６９】目標当量比は、始動時から、安定性のため
に冷却水温度Ｔｗに応じて理論空燃比相当よりもリッチ
側に補正設定される。そして、暖機運転に移ると、この
燃料増量分は、Ｔｗの上昇に従って徐々に減少される。
時刻ｔ２において燃料性状推定が終了したことが判定さ
れ（フラグＦＬＧに１が代入され）、さらに時刻ｔ３に
おいてピストン８の冠面温度が所定温度以上にまで上昇
したことが判定されると、排気昇温成層燃焼への切換え
が許可される。これを受けてスワールコントロールバル
ブ５が全閉位置に駆動され（これに対応して点火時期が
遅角される）、時刻ｔ４においてスワールコントロール
バルブ５が全閉したことが判定されると、時刻ｔ５にお
いて燃焼形態が均質燃焼から排気昇温成層燃焼に切り換
えられる。このとき、燃料噴射時期が圧縮行程（圧縮上
死点前５０〜８０°）に変更されることに対応して点火
時期が遅角される。

【００７０】時刻ｔ５からの排気昇温成層燃焼では、目
標当量比は、燃焼室全体で理論空燃比若しくはそれより
も若干高い程度に設定される。但し、始動後増量補正係
数Ｋａｓ（＝ＮＡＫＡＳ）が上記のように設定される結
果、目標当量比は、燃料性状に応じて異なる値とされ、
これが軽質であるときほど低く、すなわち、燃料噴射量
が減量される。ここで、本実施形態によれば、冷却水温
度Ｔｗも目標当量比の設定に寄与するが、簡潔さのた
め、ここではＴｗの変化により生じる動きは表していな
い。

【００７１】このような当量比設定により、点火時期に
おいて点火プラグ６近傍には、空燃比が理論空燃比より
も若干低いだけの混合気が形成される。従って、点火プ
ラグ６近傍では燃料が燃焼し切らず、未燃ＨＣ及びＣＯ
等の不完全燃焼生成物が生成されるが、これらの生成物
の発生量は適量であり、筒内に残っている酸素と後反応
して燃焼し切る。そして、このときに発生する熱により
燃焼ガスが加熱され、排気温度が上昇される。

【００７２】排気昇温成層燃焼により排気温度が高温に
維持される間に、触媒が速やかに昇温され、時刻ｔ６に
おいて活性化したことが判定されると、時刻ｔ７におい
て通常の燃焼制御（ここでは、均質ストイキ燃焼）に移
行する。そして、これに対応して点火時期が進角され
る。但し、触媒活性前であっても、アクセルが大きく踏
み込まれた場合は、運転性能を確保するため、その時点
で通常の燃焼制御に移行する。

【００７３】燃焼形態の移行を受けてスワールコントロ
ールバルブ５が全開位置に向けて駆動されると、それに
対応して点火時期が進角される。図１５〜１７は、本実
施形態に係る燃焼制御による効果を示すタイムチャート
である。図１５及び１６は、始動からの排気温度、ＨＣ
排出量、吸入空気量及びエンジン回転数（後者では、さ
らに排気ガス中のＨＣ濃度［ｐｐｍ］）の経時変化を示
している。本実施形態による場合（実線Ａ）との比較の
ため、両図において均質燃焼のみにより暖機を行う場合
を細線Ｃで示すとともに、点線Ｂとして、図１５では成
層燃焼への移行前の所定期間Δｔにポスト噴射を併行し
た場合を、また、図１６では均質燃焼から２段噴射によ
る成層ストイキ燃焼に切り換えた場合を示している。

【００７４】図１５から明らかなように、本実施形態に
よれば、排気昇温成層燃焼への切換えによって高温の排
気ガスが得られるため、均質燃焼のみによる従来の活性
方法と比較すると、触媒を活性温度にまでより速やかに
加熱し、活性化に要する時間を短縮できることが分か
る。また、ＨＣ排出量については、切換直後において一
時的に増大するものの、その後は一様に低減される。こ
のため、暖機期間全体に渡って考えれば、大幅な削減が
可能と言える。これに対して、ポスト噴射を行う場合を
示す点線Ｂを見ると、ポスト噴射併行期間Δｔの初期に
ＨＣ排出量が急増している。この増加傾向は、始動直後
の燃焼室温度が未だ低い状態でポスト噴射が行われるこ
とにより、その燃え残りが排出されるためであると考え
られるが、燃焼室が充分に暖まった後のＨＣ削減効果を
相殺してしまっている。このため、総合的にも、ＨＣ排
出量はそれほど削減されていない。

【００７５】一方、燃費については、実線Ａ及び点線Ｂ
のいずれにおいても、均質燃焼のみによる場合と比較し
て悪化していることが分かる（その傾向が吸入空気量の
増大として現れている）。本実施形態によるとその程度
は若干で済むが、ポスト噴射を行う場合には、その実施
中に相当に悪化してしまう。ポスト噴射により噴射され
た燃料が機関出力に寄与しないためである。

【００７６】次に、図１６を見ると、本実施形態によれ
ば、排気ガス中のＨＣ濃度を大幅に低下できることが分
かる。本発明者の実験結果では、この低下代は、均質燃
焼のみによる場合（細線Ｃ）の４０％ほどであった。こ
こで、吸入空気量が増えているが、その増量分が僅かで
あるから、ＨＣ排出が量的にも削減されるのである。こ
れに対して、２段噴射による成層ストイキ燃焼による場
合を示す点線Ｂを見ると、ＨＣ濃度が相当に低下（本発
明者の実験結果では、３０％ほど）されているものの、
吸入空気量の増量分が大きいため、ＨＣ排出量としての
削減効果は小さくなっている。

【００７７】図１７は、同じ量の燃料を噴射した場合に
点火プラグ６周りに形成される混合気の空燃比を、燃料
性状に応じて示している。図中、実線Ａは重質燃料によ
る場合であり、また点線Ｂは軽質燃料による場合であ
る。機関制御系統は、燃焼を重質とした場合に適合させ
て設計されるのが一般的である。ところが、このような
設計において、給油等により実際に貯蔵されている燃料
が設定よりも軽質となると、燃料の揮発性の高さに起因
して点火プラグ６周りの空燃比が低くなり、リッチ限界
を超えて失火を来す惧れがある。

【００７８】本実施形態によれば、燃料性状に応じて燃
料噴射量を補正することにより、点火プラグ６周りの混
合気形成を厳密に制御できるので、どのような性状の燃
料を使用する場合であっても点火プラグ６周りの空燃比
を常に適正域に（Ａで示す位置に）制御でき、燃焼安定
性を損なうことがない。以下に、本発明の他の実施形態
について説明する。いずれにおいてもエンジンは図１と
同様であってよい。

【００７９】先の第１実施形態では、均質燃焼から排気
昇温成層燃焼への燃焼形態の切換えに伴って、目標空燃
比を理論空燃比（１４．７）から、これよりも若干希薄
側の値（例えば、１６）へ即切り換えた。ここでは、燃
焼形態の切換直後において、目標空燃比を本来の値（す
なわち、１６）よりも多少低めに設定するとともに、所
定の変化率をもってこの値に徐々に移行させて、有効燃
料噴射パルス幅ＣＴＩを算出する。

【００８０】図１８は、その一例を示している。本実施
形態では、均質燃焼から排気昇温成層燃焼への切換えに
際して、始動後増量補正係数Ｋａｓにより目標当量比が
リッチ（１より大）とされている場合に、まず、所定当
量比（ここでは、理論空燃比相当（＝１））ヘ制御し、
ここから、排気昇温成層燃焼のための本来の目標当量比
にまで徐々に変化させるとともに、その際の変化率ｄＦ
／Ａを切換時の冷却水温度Ｔｗに応じて変更する。すな
わち、Ｔｗが低く、暖機がそれほど進んでいない状態で
切り換えられた場合は、燃焼室が充分に暖まるまでに相
当の時間を要すると考えられるので、Ｔｗが高い場合と
比較してｄＦ／Ａを小さな値に設定し、時間をかけて目
標当量比に移行させるのである。暖機が進んでいない
と、壁面付着燃料成分が気化し難いため、その状態で目
標当量比が一気に減少されると、点火プラグ６周りの燃
料濃度が過度に低くなる可能性があるからである。そし
て、このようにＴｗに基づく速さで移行する目標当量比
に対応する基本噴射量に対して、燃料性状に応じた補正
がなされ（図５）、燃料が軽質であるときほど減量され
ることとなる。

【００８１】また、他の例を図１９に示している。ここ
では、排気昇温成層燃焼への切換時に、その時の冷却水
温度Ｔｗに応じて目標当量比を減少させ、Ｔｗが低いと
きほど高い値から最終値へ下降させる。最終値を基準と
した増量分をＤとし、切換時の燃焼室温度によらず切換
えから一定サイクルｎ経過後に燃焼室が暖まるものとす
れば、制御周期毎の変化率Ｄ／ｎは、Ｔｗが低いときほ
ど大きな値に設定される。この方法によれば、切換時及
びその直後において、燃焼室が充分に暖まっていないこ
とにより点火プラグ６周りの燃料濃度が過度に低くなる
ことを防止できる。

【００８２】なお、以上の説明では、排気昇温成層燃焼
時において噴射量演算式の空燃比フィードバック補正係
数ＬＡＭＤを１に固定し、燃焼噴射量をオープン制御し
たが、ＬＡＭＤを機能させて、目標空燃比へのフィード
バック制御を行うとともに、このときの噴射量演算式に
燃料性状を反映させてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る直噴式火花点火機関
の構成図

【図２】燃焼形態に応じた燃料噴射の概念図

【図３】本発明の一実施形態に係る燃焼制御ルーチンの
フローチャート

【図４】排気昇温制御用・始動後増量補正係数Ｋａｓ
（ＮＡＫＡＳ）算出ルーチンのフローチャート

【図５】同上補正係数水温補正分ＮＴＫＡＳの設定マッ
プ

【図６】同上補正係数回転速度補正分ＮＴＮＫＡＳの設
定マップ

【図７】触媒活性判定ルーチンのフローチャート

【図８】暖機時における触媒下流側空燃比センサ出力、
触媒上下流温度及び転換率の変化を示すタイムチャート

【図９】ピストン冠面温度上昇判定ルーチンのフローチ
ャート

【図１０】擬似水温算出用パラメータの設定マップ

【図１１】暖機時における冷却水温度及び擬似水温の変
化を示すタイムチャート

【図１２】燃料性状推定終了判定ルーチンのフローチャ
ート

【図１３】排気昇温制御・実施許可判定ルーチンのフロ
ーチャート

【図１４】本発明の一実施形態に係る燃焼制御の動作を
示すタイムチャート

【図１５】同上制御による効果の説明図（排気特性；ポ
スト噴射による予熱を行う場合との比較）

【図１６】同上制御による効果の説明図（排気特性；２
段噴射による成層ストイキ燃焼による場合との比較）

【図１７】同上制御による効果の説明図（点火プラグ周
りの空燃比）

【図１８】燃焼形態切換直後の目標空燃比設定の一例を
示す概念図

【図１９】同上目標空燃比設定の他の例を示す概念図

【符号の説明】１…エンジン本体２…吸気管３…スロットル弁５…スワールコントロールバルブ６…点火プラグ７…インジェクタ１１…排気管１２…触媒コンバータ２１…ＥＣＵ（電子制御ユニット）３１…クランク角センサ３２…水温センサ３３…エアフローメータ３４…スロットルセンサ３５…アクセルセンサ３６，３７…空燃比センサ３８…スタートスイッチ

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）Ｆ０２Ｄ 41/02 ３３０Ｆ０２Ｄ 41/02 ３３０Ｆ 41/14 ３１０ 41/14 ３１０Ｃ 45/00 ３１４ 45/00 ３１４Ｑ３６４３６４ＫＦターム(参考） 3G084 AA03 BA09 BA13 BA15 CA01 CA02 DA00 DA10 EB17 EC02 EC03 FA07 FA10 FA20 FA30 FA36 FA38 3G091 AA02 AA12 AA17 AA24 AA28 AB02 AB03 BA03 BA14 BA15 BA19 BA32 CB02 CB03 CB05 CB07 DA01 DA02 DB06 DB07 DB08 DB09 DB10 DC01 DC02 EA01 EA03 EA05 EA07 EA11 EA16 EA17 EA18 EA26 EA31 EA34 FA02 FA04 FA05 FA12 FA13 FA14 FB02 FB10 FB11 FB12 FC04 FC07 GA06 HA36 HA37 HA39 HA42 3G301 HA01 HA04 HA16 JA00 JA21 KA01 KA05 LB04 LC01 MA01 MA11 MA18 ND21 ND36 NE15 PA01Z PA11Z PB02Z PD09 PE03Z PE08Z PF03Z PF16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射手段
と、運転条件に応じて、前記手段により燃料を吸気行程に噴
射させて行う均質燃焼と、前記手段により燃料を圧縮行
程に噴射させて行う成層燃焼とを切り換える燃焼制御手
段と、を備え、前記燃焼制御手段は、機関始動の際にまず均質燃焼を行
わせ、所定条件が成立したことをもって均質燃焼から成
層燃焼に直接切り換えるとともに、該成層燃焼を行わせ
る際に、燃焼室全体の空燃比を理論空燃比又はこれより
も若干希薄側とするための要求燃料量を１燃焼行程当た
りの全噴射量として、これを圧縮行程に噴射させること
を特徴とする直噴式火花点火機関の制御装置。
【請求項２】前記所定条件が、ピストン冠面温度が高温
状態を示す所定温度以上であると判定されるときに成立
する請求項１に記載の直噴式火花点火機関の制御装置。
【請求項３】前記ピストン冠面温度に相関するパラメー
タとしての擬似水温が所定温度以上であることをもって
ピストン冠面温度が前記所定温度以上であると判定さ
れ、該擬似水温は、始動時冷却水温度に応じた初期値
と、所定周期毎の吸入空気量に応じた遅れ補正係数とに
基づいて、冷却水温度の変化に対して遅れを持たせて算
出される請求項２に記載の直噴式火花点火機関の制御装
置。
【請求項４】燃料性状を推定する燃料性状推定手段を備
え、前記燃焼制御手段が、前記燃焼室全体の空燃比を理論空
燃比又はこれよりも若干希薄側とするための要求燃料量
を、前記手段により推定された燃料性状に応じて補正し
て算出する請求項１〜３のいずれか１つに記載の直噴式
火花点火機関の制御装置。
【請求項５】前記燃焼制御手段が、前記推定された燃料
性状に応じて燃料が軽質であるほど要求燃料量を大きく
減量補正する請求項４に記載の直噴式火花点火機関の制
御装置。
【請求項６】燃料性状に応じた補正量が、機関回転数に
基づいて決定される請求項４又は５に記載の直噴式火花
点火機関の制御装置。
【請求項７】前記補正量に応じて機関回転数が低いとき
ほど燃料噴射量が増量される請求項６に記載の直噴式火
花点火機関の制御装置。
【請求項８】燃料性状に応じた補正量が、機関温度に基
づいて決定される請求項４〜７のいずれか１つに記載の
直噴式火花点火機関の制御装置。
【請求項９】前記補正量に応じて冷却水温度が低いとき
ほど燃料噴射量が増量される請求項８に記載の直噴式火
花点火機関の制御装置。
【請求項１０】前記燃焼制御手段が、燃料性状に応じた
補正を要求燃料量のオープン制御中に行う請求項４〜９
のいずれか１つに記載の直噴式火花点火機関の制御装
置。
【請求項１１】前記燃焼制御手段が、燃料性状に応じた
補正を要求燃料量のフィードバック制御中に行う請求項
４〜９のいずれか１つに記載の直噴式火花点火機関の制
御装置。
【請求項１２】前記燃料性状推定手段による推定が終了
している場合にのみ前記切換えが許可される請求項４〜
１１のいずれか１つに記載の直噴式火花点火機関の制御
装置。
【請求項１３】前記燃焼制御手段が、前記燃焼室全体の
空燃比を理論空燃比又はこれよりも若干希薄側とするた
めの要求燃料量を目標空燃比に基づいて算出するととも
に、前記切換直後に目標空燃比の移行期間を設け、該期
間では、目標空燃比を移行完了後のものよりも低く設定
して前記要求燃料量を算出する請求項１〜１２のいずれ
か１つに記載の直噴式火花点火機関の制御装置。
【請求項１４】前記燃焼制御手段が、前記移行期間にお
いて、目標空燃比を所定の変化率で上昇させる請求項１
３に記載の直噴式火花点火機関の制御装置。
【請求項１５】前記変化率が、機関温度に基づいて設定
される請求項１４に記載の直噴式火花点火機関の制御装
置。
【請求項１６】前記変化率が、前記機関温度としての冷
却水温度が高いときほど大きな値とされる請求項１５に
記載の直噴式火花点火機関の制御装置。
【請求項１７】排気通路に排気後処理用触媒を備える機
関に適用された請求項１〜１６のいずれか１つに記載の
直噴式火花点火機関の制御装置。
【請求項１８】前記切換後の成層燃焼において、燃料噴
射時期が圧縮上死点前５０〜８０°の範囲内に設定され
る請求項１〜１７のいずれか１つに記載の直噴式火花点
火機関の制御装置。