JP2004028031A - Control device and method of direct injection spark ignition-type engine - Google Patents

Control device and method of direct injection spark ignition-type engine Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize the control of high quality by totally taking into consideration the exhaust temperature rise effect, the combustion stability, the HC performance and the smoke performance, in a case of the stratification stoichiometric combustion by performing the initial injection in an intake stroke and a later injection in a later half of compression stroke by dividing the fuel injection by a fuel injection valve 8, when the warming-up of an exhaust clarifying catalyst 16 is requested immediately after the starting. <P>SOLUTION: An injection period of the later injection by the fuel injection valve 8 is advanced, and simultaneously an ignition period by an ignition plug 9 is retarded, in accordance with the indication of higher engine temperature by a parameter correlated with the engine temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式エンジンの制御装置及び制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の技術として、特開2000−73820号公報に記載されているものがある。
これは、直噴火花点火式エンジンにおいて、排気浄化触媒が未暖機状態にあるときに、燃料噴射を2回に分割して、吸気行程での早期噴射と、圧縮行程での後期噴射とを実行する一方、触媒未暖機状態において、エンジン温度が所定温度より高くなった場合、エンジン温度が所定温度以下の場合と比べ、後期噴射(圧縮行程噴射)を遅角する。
【0003】
これにより、触媒未暖機時にエンジンからのHC等の排出量を低減し、かつ、排気温度を上昇させて触媒の暖機を促進し、特に触媒未暖機状態のうちでもエンジンの温度状態に応じて燃焼状態を調整することにより、燃焼安定性を確保しつつエミッション改善及び暖機促進の効果を高めるとしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術は、燃焼安定性を確保しつつ排気温度を上昇させる作用を得るために、触媒未暖機時にエンジン温度上昇に伴って後期噴射(圧縮行程噴射)を遅角しているが、スモークに着目したものではなく、このように遅角するとスモークが増大してしまう。
【0005】
本発明の課題は、排気浄化触媒の暖機要求時に、排気温度上昇効果、燃焼安定性、HC性能、及びスモーク性能を総合的に勘案して、より良い制御を実現することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、排気浄化触媒の暖機要求時に、燃料噴射を分割して、点火時期までに早期噴射と後期噴射とを行い、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど後期噴射の噴射時期を進角する。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、エンジン温度による効果最大の噴射時期を設定することで、燃焼安定性を確保しつつエミッション改善及び暖機促進の効果を高めることができ、特にスモーク性能を大幅に改善できる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の一実施形態のシステム構成を示しており、先ずこれについて説明する。
エンジン1の吸気通路2には、吸入空気量を制御するスロットル弁3が設けられている。スロットル弁3はDCモータ等のスロットルアクチュエータ4により駆動される電制スロットル弁であり、コントロールユニット20からの駆動信号に基づいてスロットル開度が制御される。
【0009】
エンジン1のシリンダヘッド5とピストン6とにより画成される各気筒の燃焼室7には、燃料噴射弁8が臨んでいる。尚、ピストン6の冠面には吸気側に偏心した位置にボウル部(凹部)6aが形成されており、燃料噴射弁8は吸気側から斜め下方にボウル部6aを指向している。
燃料噴射弁8は、吸気行程又は圧縮行程の所定時期において、コントロールユニット20からの噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定の圧力に制御された燃料を燃焼室7内に直接噴射する。
【0010】
また、各気筒の燃焼室7に、シリンダヘッド5の略中央から、臨ませて、点火プラグ9が設けられ、点火プラグ9はコントロールユニット20からの点火信号に基づいて混合気に対して火花点火を行う。
燃料噴射弁8から吸気行程にて燃料噴射される場合、噴射された燃料は、燃焼室7内に拡散して均質な混合気を形成し、点火プラグ9により点火されて燃焼する。かかる燃焼を均質燃焼といい、空燃比制御との組み合わせで、均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼などに分けられる。
【0011】
燃料噴射弁8から圧縮行程(特にその後半)にて燃料噴射される場合、噴射された燃料は、ピストン冠面のボウル部6aを利用したタンブル流に乗るなどして、点火プラグ9周りに集中的に層状の混合気を形成し、点火プラグ9により点火されて燃焼する。かかる燃焼を成層燃焼といい、通常、空燃比は極リーンで、成層リーン燃焼と呼ばれる。
【0012】
燃料噴射弁8への燃料供給系について説明すると、燃料タンク10内の燃料は電動式の低圧燃料ポンプ11によって吸入され、この低圧燃料ポンプ11から吐出された低圧燃料はエンジン駆動される高圧燃料ポンプ12に供給される。
低圧燃料ポンプ11から吐出されて高圧燃料ポンプ12に供給される燃料の圧力は、燃料タンク10に戻るリターン通路に介装された低圧プレッシャレギュレータ13によって所定の低圧に調整される。
【0013】
高圧燃料ポンプ12から吐出された高圧燃料は、燃料噴射弁8に供給され、その燃料圧力は、高圧燃料ポンプ12の吸入側に戻るリターン通路に介装された高圧プレッシャレギュレータ14によって所定の高圧に調整される。
高圧プレッシャレギュレータ14は、コントロールユニット20からの制御信号に基づいて、リターン通路の開口面積を連続的に変化させることができ、これにより燃料噴射弁8への燃料圧力を任意に制御可能である。
【0014】
一方、排気通路15には、排気浄化触媒16が配置されている。排気浄化触媒16としては、ストイキ近傍において排気中のCO、HCの酸化とNOxの還元とを行う三元触媒、或いは排気中のCO、HCの酸化を行う酸化触媒、或いはストイキ近傍において三元機能を発揮し、リーン状態において排気中のNOxをトラップし、ストイキ〜リッチ状態になったときにトラップしたNOxを還元浄化するNOxトラップ触媒等を用いることができる。
【0015】
コントロールユニット20には、エンジンの制御のため、各種センサから信号が入力されている。
クランク角センサ21は、エンジン回転と同期してクランク基準角信号及びクランク単位角信号を発生する。コントロールユニット20では、クランク角センサ21からのクランク基準角信号の周期を計測して、又はクランク単位角信号を一定時間カウントして、エンジン回転数Neを検出できる。
【0016】
アクセルペダルセンサ22は、運転者のアクセルペダル操作量(アクセル開度)APOを検出する。
エアフローメータ23は、吸気通路2のスロットル弁3上流に配置され、吸入空気量Qaを検出する。
スロットルセンサ24は、スロットル弁3の開度TVOを検出する。また、スロットル弁3の全閉位置でONとなるアイドルスイッチも内蔵している。
【0017】
水温センサ25は、エンジン1のウォータジャケットに臨んで、冷却水温度(水温)Twを検出する。
燃圧センサ26は、高圧燃料ポンプ12から燃料噴射弁8への燃料供給通路に配置され、燃料噴射弁8への燃料圧力(燃圧)Pfを検出する。
空燃比センサ27は、排気通路15の排気浄化触媒16の上流側に配置され、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もので、空燃比フィードバック制御に用いられる。
【0018】
更に排気浄化触媒16の下流側にも、空燃比センサ28が配置されている。下流側空燃比センサ28は、その検出値に基づいて、空燃比センサ27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27の劣化等に伴う制御誤差を抑制する等のために用いられる。
コントロールユニット20は、CPU、ROM、RAM、A/D変換器及び入出カインターフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、前記各種センサからの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、スロットルアクチュエータ4を介してスロットル弁3の開度を制御し、高圧プレッシャレギュレータ14を制御して燃料噴射弁8への燃料圧力を制御し、燃料噴射時期及び燃料噴射量を設定して燃料噴射弁8の燃料噴射を制御し、点火時期を設定して該点火時期で点火プラグ9を点火させる制御を行う。
【0019】
そして、運転状態に応じて、燃焼形態の制御を行う。すなわち、通常運転時(排気浄化触媒16の暖機完了後)には、例えば低負荷領域において、圧縮行程噴射による成層リーン燃焼を行わせる一方、例えば高負荷領域において、吸気行程噴射による均質ストイキ燃焼又は均質リーン燃焼を行わせる。
ここにおいて、本発明では、始動直後の排気浄化触媒16の暖機要求時に、燃料噴射を分割して、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とを行うことにより、点火プラグ9周りに比較的リッチな層状の混合気を形成し、これを囲む燃焼室7全体に比較的リーンな混合気を形成し、全体の空燃比は略ストイキとするように制御する。かかる燃焼形態をここでは成層ストイキ燃焼(分割噴射による成層ストイキ燃焼)という。
【0020】
成層燃焼では、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(ストイキ空燃比を達成するのに必要な燃料重量)のうち、例えば略50〜90%の燃料重量を、図2(A)に示すように、吸気行程で噴射し、燃焼室全体にストイキよりもリーンな混合気を形成する。そして、残りの略50〜10%の燃料重量を、図2(B)に示すように、圧縮行程後半で噴射し、点火栓9周りにストイキよりもリッチな混合気を層状に形成して、燃焼させる。
【0021】
成層ストイキ燃焼のコンセプトは、次のようである。
(1)吸気行程噴射により燃焼室壁面近傍にリーン混合気を形成し、後燃えに必要なO2 を確保する。
(2)圧縮行程噴射により点火プラグ周りにリッチ混合気を形成し、初期着火性能を向上させることで、燃焼安定性を向上させる。
(3)リッチ混合気の燃焼によりCOを生成し、燃焼室壁面近傍のリーン混合気中のO2 との後燃えを促進して、HC低減、排気温度上昇を図る。
(4)初期着火性能の向上等により点火時期を遅角化可能であり、点火時期の遅角により、後燃え効果による排気温度上昇を更に図る。
【0022】
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7から排気通路10に排出されるHC、NOxの量を減少させることができる。従って、始動開始から排気浄化触媒16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16の早期活性化を促進できる。
【0023】
このため、コントロールユニット20では、始動開始から排気浄化触媒16が活性化するまでの間(触媒暖機要求時)において、キースイッチ30の他、前記各種センサからの入力信号を受け、図3及び図4のフローチャートに示すような制御を行う。
図3は始動時燃焼制御のフローチャートである。
【0024】
S1では、キースイッチ30のイグニッション信号がONとなったか(キー位置がイグニッションON位置とされたか)否かを判断する。YESであれば、S2へ進み、NOであれば、本フローを終了する。
S2では、キースイッチ30のスタート信号がONとなったか(キー位置がSTART位置とされたか)否かを判断する。YESであれば、始動のためのクランキング要求があると判断して、S3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、S1ヘ戻る。
【0025】
S3では、始動のため、従来同様に、スタータモータの駆動を開始して、エンジンをクランキングする。
S4では、始動のため、従来同様に、吸気行程噴射による均質燃焼(均質ストイキ燃焼)を行わせる。
S5では、排気浄化触媒16が活性化しているか否かを判断する。当該判断は、排気通路15の排気浄化触媒16下流側に配置される空燃比センサ28が活性化したか(そのリッチ・リーン出力が反転したか)否かによって行うことができる。もちろん、排気浄化触媒16の温度を直接或いは排気温度から間接的に検出して、これに基づいて判断するようにしてもよい。又は、水温Twより排気浄化触媒16の温度を推定し、これに基づいて判断するようにしてもよい。
【0026】
排気浄化触媒16が活性化していなければ(NOであれば)、S6へ進む。一方、排気浄化触媒16が活性化していれば(YES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、S8へ進み、燃費改善等のために、従来同様の通常の燃焼制御により、運転状態に応じた燃焼形態(均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼、成層リーン燃焼など)で燃焼を行わせて、本フローを終了する。
【0027】
S6では、触媒活性化促進のための分割噴射による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、例えば、下記(1)〜(3)の条件が全て成立しているとき、成層ストイキ燃焼が許可される。
(1)空燃比センサ27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)。成層ストイキ燃焼中に空燃比フィードバック制御を行う場合に必要である。尚、空燃比センサ27は、触媒16の上流側に設けられ、かつ熱容量も小さいので、触媒16に比べれば、活性化速度は極めて速い。また、空燃比センサ27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(触媒16の暖機過程中)に、当該空燃比センサ27の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御を行うことは可能である。
【0028】
(2)アイドル状態であること。具体的には、アイドルスイッチがONで、エンジン回転数Ne、吸入空気量Qaがそれぞれ予め定めた上限値〜下限値の範囲内にあることを確認する。
(3)水温Twが所定値以上であること。水温Twが所定値未満の極低温状態では、ピストン冠面温度が低く、当該ピストン冠面を利用した成層混合気の霧化・気化促進などが良好に行われなくなるからである。
【0029】
成層ストイキ燃焼の許可条件が成立していない場合は、分割噴射による成層ストイキ燃焼への移行を禁止し、吸気行程噴射による均質燃焼を継続すべく、S4へ戻る。
成層ストイキ燃焼の許可条件が成立している場合は、S7へ進む。
S7では、分割噴射による成層ストイキ燃焼を行わせて、排気浄化触媒16の早期活性化を促進する。ここでの詳細な制御は、均質燃焼→成層ストイキ燃焼への切換時制御、暖機完了後の成層ストイキ燃焼→均質燃焼への切換時制御も含め、後述する図4のフローチャートに従って行われる。
【0030】
このような成層ストイキ燃焼中、排気浄化触媒16が活性化したか否かを判断していて(図4のフローのS22)、活性化していなければ、成層ストイキ燃焼を継続するが、活性化していれば、成層ストイキ燃焼を終了してS8へ進む。
S8では、通常の燃焼制御として、運転状態に応じた燃焼形態(均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼、成層リーン燃焼など)へ移行させた後、本フローを終了する。
【0031】
図4は成層ストイキ燃焼制御のフローチャートであり、図3のフローのS7にて実行される。
S11では、均質燃焼→成層ストイキ燃焼への切換えに先立ち、燃料噴射弁8への燃料圧力(燃圧)を成層ストイキ燃焼を行うのに要求される燃圧に切換える制御を行う(図11のa参照)。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低下させるように切換制御する。
【0032】
具体的には、燃圧センサ26により検出される実際の燃圧と、目標燃圧とを比較しつつ、高圧プレッシャレギュレータ14への開弁デューティをフィードバック制御しているので、目標燃圧を予め定めた低圧側の値に変更することで、開弁デューティを増大させ、リターン流量を増大させて、燃圧を低下させる。そして、実際の燃圧が目標燃圧に達して安定した後に、S12へ進む。
【0033】
S12では、点火時期を徐々に遅角する(図11のb参照)。
均質燃焼から成層ストイキ燃焼に切換える場合は、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(或いはエンジン安定性)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。
【0034】
そこで、先ず、S12で、燃焼切換時のトルク増大補正が可能な進角補正代を確保できるまで点火時期を徐々に遅角する。詳細には、エンジン回転数及び負荷などに基づいて、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、この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。
【0035】
S13では、点火時期が目標遅角点火時期に到達したか否かを判定し、到達していない場合は、S12へ戻って点火時期を更に遅角する。この結果、目標遅角点火時期に到達した場合は、均質燃焼から成層ストイキ燃焼に切換えるため、S13からS14へ進む。
S14では、成層ストイキ燃焼での圧縮行程噴射時期をエンジン温度に相関するパラメータである水温Twに応じ、水温Twが高いほど進角するように設定する(例えば60°BTDC〜70°BTDCの範囲)。尚、吸気行程噴射時期は一定とする(例えば50°ATDC)。
【0036】
具体的には、図5のフローチャートに示すように、S101で図6のマップを参照してエンジン回転数と噴射パルス幅とから成層ストイキ燃焼用の基本圧縮行程噴射時期(基本IT;圧縮TDCからの進角値)を設定し、S102で図7のテーブルを参照して水温Twより基本ITに対する進角側への補正値(ΔIT)を設定し、S103で基本ITにΔITを加算して、成層ストイキ燃焼用の圧縮行程噴射時期(IT=基本IT+ΔIT)を算出する。
【0037】
S15では、通常の燃料噴射(吸気行程噴射のみ)から、吸気行程噴射と圧縮行程噴射との分割噴射に切換え、圧縮行程噴射についてはS14で設定した時期に行うことで、成層ストイキ燃焼を開始する(図11のc参照)。
S16では、成層ストイキ燃焼への切換えと同時に、点火時期を一気に進角させて(遅角補正分を0として)、点火時期を遅角補正開始前のMBTに戻す(図11のc参照)。これにより、燃焼切換時のトルク段差の発生を解消して、安定した運転性を確保する。
【0038】
S17では、成層ストイキ燃焼での最適な点火時期(目標値)をエンジン温度に相関するパラメータである水温Twに応じ、水温Twが高いほど遅角するように設定する(例えば7°BTDC〜0°BTDCの範囲)。
具体的には、図8のフローチャートに示すように、S201で図9のマップを参照してエンジン回転数と負荷とから成層ストイキ燃焼用の基本点火時期(基本ADV;圧縮TDCからの進角値)を設定し、S202で図10のテーブルを参照して水温Twより基本ADVに対する遅角側への補正値(ΔADV)を設定し、S203で基本ADVからΔADVを減算して、成層ストイキ燃焼用の点火時期(ADV=基本ADV−ΔADV)を算出する。
【0039】
S18では、点火時期を徐々に遅角する(図11のd参照)。すなわち、S17にて設定した成層ストイキ燃焼での最適な点火時期(目標値)まで徐々に遅角する制御を行う。尚、成層ストイキ燃焼での最適な点火時期は、燃焼安定性、HC性能、スモーク性能などの限界内で最大限遅角す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。
【0040】
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しながら、切換後は成層ストイキ燃焼による排気浄化触媒16の活性化を最大限促進することができる。
S19では、点火時期が成層ストイキ燃焼での最適な点火時期(目標値)に到達したか否かを判定し、到達していない場合は、S18へ戻って点火時期を更に遅角する。この結果、目標遅角点火時期に到達した場合は、S19からS20へ進む。
【0041】
S20では、S14と同様、図5のフローチャートに従って、成層ストイキ燃焼での圧縮行程噴射時期を暖機促進と共に徐々に上昇する水温Twに応じ、水温Twが高くなるほど進角するように再設定する(図11のe参照)。
S21では、S17と同様、図8のフローチャートに従って、成層ストイキ燃焼での点火時期を暖機促進と共に徐々に上昇する水温Twに応じ、水温Twが高くなるほど遅角するように再設定する(図11のf参照)。
【0042】
S22では、排気浄化触媒16が活性化したか(暖機完了か)否かを判断する。当該判断は、図3のフローのS5と同様に行う。
排気浄化触媒16が活性化していなければ(NOであれば)、S20、S21へ戻る。従って、水温Twより圧縮行程噴射時期及び点火時期を再設定しつつ、成層ストイキ燃焼を継続する。
【0043】
一方、排気浄化触媒16が活性化していれば(YESであれば)、S23以降へ進み、成層ストイキ燃焼を終了させるべく、成層ストイキ燃焼→均質燃焼への切換時制御を開始する(図11のg参照)。
S23では、点火時期を徐々に進角する。すなわち、均質燃焼→成層ストイキ燃焼への切換時制御とは、全く逆に、燃焼切換時のトルク増大を抑制するため、燃焼切換時に点火時期を遅角制御するための遅角補正代を確保するため徐々に進角する(図11のh参照)。
【0044】
S24では、点火時期が目標進角点火時期に到達したか否かを判定し、到達していない場合は、S23へ戻って点火時期を更に進角する。この結果、目標進角点火時期に到達した場合は、S24からS25へ進む。
S25では、通常の燃料噴射に対応させるため、燃料噴射弁8への燃料圧力(燃圧)を上昇させるように切換制御する(図11のi参照)。具体的には、燃圧センサ26により検出される実際の燃圧と、目標燃圧とを比較しつつ、高圧プレッシャレギュレータ14への開弁デューティをフィードバック制御しているので、目標燃圧を予め定めた高圧の値に戻すことで、開弁デューティを減少させ、リターン流量を減少させて、燃圧を上昇させる。
【0045】
S26では、分割噴射を終了することで、通常の均質燃焼に切換える(図11のi参照)。
S27では、均質燃焼への切換えと同時に、点火時期を一気に遅角する(図11のi参照)。これにより、燃焼切換時のトルク段差の発生を解消して、安定した運転性を確保する。
【0046】
S28では、点火時期を徐々に進角する(図11のj参照)。すなわち、切換後の燃焼に見合ったMBTまで徐々に進角する。
S29では、点火時期がMBTに到達したか否かを判定し、到達していない場合は、S28へ戻って点火時期を更に進角する。この結果、MBTに到達した場合は、S29からリターンする。
【0047】
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の様子を図11に示している。
次に本発明における成層ストイキ燃焼での燃料噴射時期(特に圧縮行程噴射時期)及び点火時期の制御について更に詳しく説明する。
成層ストイキ燃焼時の圧縮行程噴射時期ITは、燃焼性能に影響を及ぼすので、従来は暖機後の成層リーン燃焼における噴射時期をベースにして、運転性、燃焼安定性を確保した上で、効果最大となるように設定行っている。
【0048】
しかし、図12に示すように、エンジン温度(水温)により成層ストイキ燃焼の成立可能な圧縮行程噴射時期ITの範囲が変化する(A1〜A3)。従って、水温を無視する場合には、全ての温度範囲で成層ストイキ燃焼が成立するように極めて狭い領域内でITを設定しなければならず、IT遅角による排温上昇効果を十分には達成できない。
【0049】
従って、圧縮行程噴射時期ITはエンジン温度(水温)に応じて定めるのが望ましい。
また、成層ストイキ燃焼時に分割噴射における燃料噴射弁の噴射時間確保のために燃圧を低下させる場合、図2(B)にEXで示すように、燃圧が低いことで、燃料噴射弁8の噴霧貫徹力が低下して、燃料噴霧が拡がり、ピストン冠面のボウル部6aを経て、点火プラグ9周りに達する燃料噴霧が減少する。
【0050】
従って、エンジン温度(水温)が低いほど、圧縮行程噴射時期を遅角して、点火プラグ周りへの燃料量を確保する必要がある。
その一方、エンジン温度(水温)が高くなるに従って、燃料の霧化が良くなるので、点火プラグ周りの空燃比がオーバーリッチになり、燃え残りとしてスモークが発生する。
【0051】
従って、エンジン温度(水温)の上昇に伴って、圧縮行程噴射時期を進角することにより、オーバーリッチを防止する。
このため、触媒暖機要求時の成層ストイキ燃焼においては、エンジン温度(水温)が高くなるほど、圧縮行程噴射時期ITを進角する。
また、成層ストイキ燃焼時の圧縮行程噴射時期ITだけでなく、点火時期ADVについても同様で、エンジン温度(水温)に応じて、最適となるように制御する。
【0052】
図13は、点火時期ADVを横軸、圧縮行程噴射時期ITを縦軸として、成層ストイキ燃焼時の燃焼安定性限界、スモーク限界、HC限界について、水温Tw=20℃の時(冷機時)を太線で、水温Tw=40℃の時(暖機過程)を細線で示している。
これによれば、3つの限界線により囲まれる略3角形の設定可能領域が、水温Twにより変化することがわかる。
【0053】
また、3つの限界線により囲まれる略3角形(設定可能領域内)において、排気温度上昇効果が最大となる噴射時期IT遅角側、点火時期ADV遅角側の頂点が、効果ベスト点であり、水温Tw=20℃での効果ベストに対し、水温Tw=40℃での効果ベスト点は、左下方向(噴射時期IT進角方向かつ点火時期ADV遅角方向)に移動している。
【0054】
従って、エンジン温度(水温)の上昇に伴わせて、圧縮行程噴射時期ITを進角し、点火時期ADVを遅角することで、効果最大の設定となる。
次に成層ストイキ燃焼時の圧縮行程噴射時期の設定について更に詳しく説明する。
図14(A)は、水温Tw=20℃での、成層ストイキ燃焼時の圧縮行程噴射時期ITに対する、燃焼安定性、スモーク、HC、排温の変化を示している。
【0055】
圧縮行程噴射時期ITを遅角すると、点火プラグ周りがリッチになることで、CO大になり、吸気行程で噴射して形成したリーン混合気中のO2 との後燃えを促進でき、HC低減、排温上昇が得られる。
但し、圧縮行程噴射時期ITを遅角しすぎると、点火プラグ周りの空燃比がリッチ限界を超えて(略A/F<9)、燃焼が不安定になるのと同時に、燃料が燃え残り、結果としてスモークが発生する。
【0056】
よって、燃焼安定性が成立し、スモーク発生のない圧縮行程噴射時期ITに設定する必要があり、図14(A)の場合、圧縮行程噴射時期ITは、燃焼安定性限界により決まる。
図14(B)は、水温Tw=40℃での、成層ストイキ燃焼時の圧縮行程噴射時期ITに対する、燃焼安定性、スモーク、HC、排温の変化を示している。
【0057】
水温Tw=40℃でも、HC、排温については、絶対値は変わるものの、水温Tw=20℃のときと同様の傾向である。燃焼安定性、スモークについては、スモーク限界が進角側に移行して、燃焼安定性限界と逆転する。従って、図14(B)の場合、圧縮行程噴射時期ITは、スモーク限界により決まる。
従って、図14(A)での効果ベスト点(燃焼性安定限界)と図14(B)での効果ベスト点(スモーク限界)との比較から明らかなように、エンジン温度(水温)の上昇に伴わせて、圧縮行程噴射時期ITを進角するのが良いことがわかる。
【0058】
次に成層ストイキ燃焼時の点火時期の設定について更に詳しく説明する。
図15は、例えば水温Tw=20℃での、成層ストイキ燃焼時の点火時期ADVに対する、燃焼安定性、スモーク、HC、排温の変化を示している。
点火時期ADVを遅角すると、後燃えを促進でき、HC低減、排温上昇が得られる。また、スモークも減少する。但し、点火時期ADVを遅角しすぎると、燃焼が不安定となる。従って、設定すべき点火時期ADVは、燃焼安定性限界により決まる。
【0059】
燃焼安定性限界については、エンジン温度(水温)の上昇に伴って、より遅角側となる。これは、エンジン温度(水温)の上昇により、燃料霧化が促進され、点火プラグ周り及び燃焼室壁面部などに良好な混合気が確保されることで、燃焼安定化が進み、燃焼安定性限界に余裕が生まれるからである。
従って、エンジン温度(水温)の上昇による燃焼安定性限界の遅角側への移行に伴わせて、点火時期ADVを遅角するのが良いことがわかる。
【0060】
以上説明したように本実施形態によれば、排気浄化触媒の暖機要求時に、燃料噴射を分割して、点火時期までに吸気行程での早期噴射と圧縮行程後半での後期噴射とを行い、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど後期噴射の噴射時期を進角することにより、燃焼安定性を確保しつつエミッション改善及び暖機促進の効果を高めることができ、特にスモーク性能を大幅に改善できる。
【0061】
また、本実施形態によれば、排気浄化触媒の暖機要求時に、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど点火時期を遅角することにより、噴射時期制御との組み合わせで、排温上昇効果、燃焼安定性、HC性能、及びスモーク性能をより総合的に勘案した制御を行うことができる。
また、本実施形態によれば、排気浄化触媒の暖機要求時に分割噴射を行う際、通常の1回噴射よりも燃料圧力を低下させることにより、分割噴射における各噴射での噴射時間を長くして、噴射パルス幅−燃料噴射量特性の直線領域にて各噴射を行うことが可能となり、制御精度を向上させることができる。
【0062】
また、本実施形態によれば、エンジン温度に相関するパラメータとして、エンジン水温を用いることにより、特別なセンサの追加なしに簡易に実施できる。
尚、以上の実施形態では、エンジン温度に相関するパラメータとして、エンジン水温を用いたが、燃焼性能に直結するピストン冠面温度(特にピストン6の冠面に凹設したボウル部6aの表面温度)を用いるようにしてもよい。
【0063】
ピストン冠面温度は、ピストン6(特にその冠面)に埋め込んだサーモカップル等により直接検出してもよいし、エンジン水温Twに基づく擬似水温として推定してもよい。
ピストン冠面温度に相当する疑似水温は、始動時冷却水温度に応じた初期値と、所定周期毎の吸入空気量に応じた遅れ補正係数とに基づいて、エンジン水温の変化に対して遅れを持たせて算出することができる。
【0064】
具体的な推定方法を図16により説明する。
ピストン冠面温度と相関のある疑似水温TWF[t] (tはイグニッション信号ON後の経過時間)は、始動時水温TWe0に応じて、疑似水温初期値TWF0から始まり、単位時間毎に吸入空気量Qaによって決まる遅れ補正係数Ktwfずつ一次遅れでエンジン水温Tweに向かって収束する。
【0065】
TWF[t] =TWe[t] −(TWe[t] −TWF[t−1] )×(1−Ktwf)ここで、、TWF[0] =TWe[0] 、tはIGN/SW−ON後の経過時間である。尚、疑似水温初期値TWF0は、始動時水温TWe0に基づき図16に示すテーブル等を参照することで求めることができ、遅れ補正係数Ktwfは吸入空気量Qaに基づき図16に示すテーブル等を参照して求めることができるものである。
【0066】
このように、エンジン温度に相関するパラメータとして、ピストン冠面温度を用いることにより、ピストン冠面を利用して点火プラグ周りにリッチ混合気を形成する場合に、成層ストイキ燃焼の正否に直結する温度を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図
【図2】成層ストイキ燃焼の説明図
【図3】始動時燃焼制御のフローチャート
【図4】成層ストイキ燃焼制御のフローチャート
【図5】成層ストイキ燃焼用圧縮行程噴射時期設定のフローチャート
【図6】成層ストイキ燃焼用圧縮行程噴射時期の基本値マップ
【図7】成層ストイキ燃焼用圧縮行程噴射時期の補正値テーブル
【図8】成層ストイキ燃焼用点火時期設定のフローチャート
【図9】成層ストイキ燃焼用点火時期の基本値マップ
【図10】成層ストイキ燃焼用点火時期の補正値テーブル
【図11】始動から成層ストイキ燃焼切換えのタイミングチャート
【図12】水温によるIT成立領域を示す図
【図13】IT、ADVの設定可能領域を示す図
【図14】ITによる性能変化を示す図
【図15】ADVによる性能変化を示す図
【図16】ピストン冠面温度推定方法の説明図
【符号の説明】
1 エンジン
2 吸気通路
3 スロットル弁
6 ピストン
6a ボウル部
7 燃焼室
8 燃料噴射弁
9 点火プラグ
12 高圧燃料ポンプ
14 高圧プレッシャレギュレータ
15 排気通路
16 排気浄化触媒
20 コントロールユニット
25 水温センサ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device and a control method for a direct injection spark ignition engine.
[0002]
[Prior art]
As a conventional technique, there is one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-73820.
This is because, in a direct injection spark ignition engine, when the exhaust gas purification catalyst is not warmed up, the fuel injection is divided into two times to perform early injection in the intake stroke and late injection in the compression stroke. On the other hand, when the engine temperature is higher than the predetermined temperature in the catalyst unwarmed state, the late injection (compression stroke injection) is retarded as compared with the case where the engine temperature is equal to or lower than the predetermined temperature.
[0003]
This reduces the amount of HC and other emissions from the engine when the catalyst is not warmed up, and increases the exhaust temperature to promote warming up of the catalyst. By adjusting the combustion state accordingly, the effects of improving emissions and promoting warm-up are enhanced while ensuring combustion stability.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional technology, the late injection (compression stroke injection) is retarded with an increase in the engine temperature when the catalyst is not warmed up, in order to obtain an effect of increasing the exhaust gas temperature while ensuring combustion stability. However, the smoke is not focused on, and the smoke increases when retarded in this way.
[0005]
It is an object of the present invention to realize better control when a warm-up request of an exhaust purification catalyst is taken into consideration in consideration of an exhaust gas temperature increasing effect, combustion stability, HC performance, and smoke performance.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, in the present invention, at the time of a warm-up request of the exhaust purification catalyst, the fuel injection is divided, the early injection and the late injection are performed by the ignition timing, and a parameter correlated with the engine temperature indicates that the engine temperature is high. The later the injection timing of the late injection is advanced.
[0007]
【The invention's effect】
According to the present invention, by setting the injection timing with the maximum effect by the engine temperature, it is possible to enhance the effects of improving emissions and promoting warm-up while ensuring combustion stability, and in particular, to significantly improve smoke performance.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a system configuration of an embodiment of the present invention, which will be described first.
A throttle valve 3 for controlling an intake air amount is provided in an intake passage 2 of the engine 1. The throttle valve 3 is an electronically controlled throttle valve driven by a throttle actuator 4 such as a DC motor, and the throttle opening is controlled based on a drive signal from the control unit 20.
[0009]
A fuel injection valve 8 faces a combustion chamber 7 of each cylinder defined by a cylinder head 5 and a piston 6 of the engine 1. A bowl (recess) 6a is formed on the crown of the piston 6 at a position eccentric to the intake side, and the fuel injection valve 8 is directed obliquely downward from the intake side.
At a predetermined time during the intake stroke or the compression stroke, the fuel injection valve 8 is energized by a solenoid in response to an injection pulse signal from the control unit 20 to open the valve, and directly injects fuel controlled to a predetermined pressure into the combustion chamber 7. I do.
[0010]
An ignition plug 9 is provided in the combustion chamber 7 of each cylinder so as to face from substantially the center of the cylinder head 5. The ignition plug 9 spark-ignites the air-fuel mixture based on an ignition signal from the control unit 20. I do.
When fuel is injected from the fuel injection valve 8 in the intake stroke, the injected fuel diffuses into the combustion chamber 7 to form a homogeneous mixture, and is ignited by the ignition plug 9 and burns. Such combustion is called homogeneous combustion, and is classified into homogeneous stoichiometric combustion, homogeneous lean combustion, and the like in combination with air-fuel ratio control.
[0011]
When fuel is injected from the fuel injection valve 8 in the compression stroke (particularly in the latter half), the injected fuel concentrates around the ignition plug 9 by riding on a tumble flow utilizing the bowl portion 6a on the piston crown. A stratified mixture is formed, and is ignited by the ignition plug 9 and burned. Such combustion is called stratified combustion, and usually has an extremely lean air-fuel ratio and is called stratified lean combustion.
[0012]
The fuel supply system to the fuel injection valve 8 will be described. The fuel in the fuel tank 10 is sucked by an electric low-pressure fuel pump 11, and the low-pressure fuel discharged from the low-pressure fuel pump 11 is a high-pressure fuel pump driven by an engine. 12 is supplied.
The pressure of the fuel discharged from the low-pressure fuel pump 11 and supplied to the high-pressure fuel pump 12 is adjusted to a predetermined low pressure by a low-pressure pressure regulator 13 provided in a return passage returning to the fuel tank 10.
[0013]
The high-pressure fuel discharged from the high-pressure fuel pump 12 is supplied to the fuel injection valve 8, and the fuel pressure is adjusted to a predetermined high pressure by a high-pressure pressure regulator 14 provided in a return passage returning to the suction side of the high-pressure fuel pump 12. Adjusted.
The high-pressure regulator 14 can continuously change the opening area of the return passage based on a control signal from the control unit 20, and thereby can control the fuel pressure to the fuel injection valve 8 arbitrarily.
[0014]
On the other hand, an exhaust purification catalyst 16 is disposed in the exhaust passage 15. As the exhaust purification catalyst 16, a three-way catalyst for oxidizing CO and HC in the exhaust gas and reducing NOx in the vicinity of the stoichiometric gas, or an oxidation catalyst for oxidizing CO and HC in the exhaust gas, or a three-way catalyst in the vicinity of the stoichiometric gas And a NOx trap catalyst or the like that traps NOx in the exhaust gas in the lean state and reduces and purifies the trapped NOx in the stoichiometric to rich state can be used.
[0015]
Signals from various sensors are input to the control unit 20 for controlling the engine.
The crank angle sensor 21 generates a crank reference angle signal and a crank unit angle signal in synchronization with engine rotation. The control unit 20 can detect the engine speed Ne by measuring the cycle of the crank reference angle signal from the crank angle sensor 21 or counting the crank unit angle signal for a certain period of time.
[0016]
The accelerator pedal sensor 22 detects a driver's accelerator pedal operation amount (accelerator opening) APO.
The air flow meter 23 is disposed upstream of the throttle valve 3 in the intake passage 2 and detects an intake air amount Qa.
The throttle sensor 24 detects the opening TVO of the throttle valve 3. Further, an idle switch which is turned ON when the throttle valve 3 is fully closed is also built in.
[0017]
The water temperature sensor 25 faces the water jacket of the engine 1 and detects a cooling water temperature (water temperature) Tw.
The fuel pressure sensor 26 is disposed in a fuel supply passage from the high-pressure fuel pump 12 to the fuel injection valve 8, and detects a fuel pressure (fuel pressure) Pf to the fuel injection valve 8.
The air-fuel ratio sensor 27 is disposed upstream of the exhaust gas purification catalyst 16 in the exhaust passage 15 and detects the concentration of a specific component (for example, oxygen) in the exhaust gas to detect the air-fuel ratio of the exhaust gas and the intake air-fuel mixture. And is used for air-fuel ratio feedback control.
[0018]
Further, an air-fuel ratio sensor 28 is disposed downstream of the exhaust purification catalyst 16. The downstream air-fuel ratio sensor 28 corrects the air-fuel ratio feedback control based on the detection value of the air-fuel ratio sensor 27 based on the detection value, thereby suppressing a control error due to the deterioration of the air-fuel ratio sensor 27 and the like. Used for
The control unit 20 includes a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, an A / D converter, an input / output interface, and the like, and according to an operation state detected based on signals from the various sensors, The opening degree of the throttle valve 3 is controlled via the throttle actuator 4, the high pressure regulator 14 is controlled to control the fuel pressure to the fuel injection valve 8, the fuel injection timing and the fuel injection amount are set, and the fuel injection valve is controlled. 8, the fuel injection is controlled, the ignition timing is set, and the ignition plug 9 is ignited at the ignition timing.
[0019]
Then, the combustion mode is controlled according to the operating state. That is, during normal operation (after completion of warm-up of the exhaust purification catalyst 16), stratified lean combustion by compression stroke injection is performed, for example, in a low load region, while homogeneous stoichiometric combustion by intake stroke injection is performed, for example, in a high load region. Alternatively, a homogeneous lean combustion is performed.
Here, in the present invention, when a warm-up request of the exhaust purification catalyst 16 is made immediately after the start, the fuel injection is divided and the intake stroke injection and the compression stroke injection are performed, so that a relatively rich stratified shape around the ignition plug 9 is obtained. And a relatively lean air-fuel mixture is formed in the entire combustion chamber 7 surrounding the air-fuel mixture, and the overall air-fuel ratio is controlled to be substantially stoichiometric. Such a combustion mode is herein referred to as stratified stoichiometric combustion (stratified stoichiometric combustion by split injection).
[0020]
In the stratified combustion, for example, approximately 50 to 90% of the total fuel amount (fuel weight required to achieve a stoichiometric air-fuel ratio) that can be substantially completely burned with the intake air amount per combustion cycle As shown in FIG. 2 (A), the weight is injected in the intake stroke, and a leaner air-fuel mixture than the stoichiometric mixture is formed in the entire combustion chamber. Then, as shown in FIG. 2 (B), the remaining approximately 50 to 10% of the fuel weight is injected in the latter half of the compression stroke, and a mixture richer than the stoichiometric mixture is formed around the ignition plug 9 to form a layer. Burn.
[0021]
The concept of stratified stoichiometric combustion is as follows.
(1) A lean air-fuel mixture is formed in the vicinity of the combustion chamber wall surface by the intake stroke injection to secure O2 necessary for afterburning.
(2) A rich air-fuel mixture is formed around the spark plug by the compression stroke injection to improve the initial ignition performance, thereby improving the combustion stability.
(3) CO is generated by combustion of the rich air-fuel mixture to promote after-burning with O2 in the lean air-fuel mixture near the combustion chamber wall surface, thereby reducing HC and increasing exhaust gas temperature.
(4) The ignition timing can be retarded by improving the initial ignition performance, and the ignition timing is retarded to further increase the exhaust gas temperature due to the afterburning effect.
[0022]
According to the above-described stratified stoichiometric combustion, not only can the exhaust gas temperature be raised as compared with the conventional homogeneous stoichiometric combustion, but also the amounts of HC and NOx discharged from the combustion chamber 7 to the exhaust passage 10 are reduced. be able to. Accordingly, the early activation of the exhaust purification catalyst 16 can be promoted while suppressing the emission of HC and NOx into the atmosphere from the start of the start until the exhaust purification catalyst 16 is activated.
[0023]
For this reason, the control unit 20 receives the input signals from the key switch 30 and the various sensors in addition to the key switch 30 during the period from the start of the start to the activation of the exhaust gas purification catalyst 16 (when the catalyst needs to be warmed up). The control as shown in the flowchart of FIG. 4 is performed.
FIG. 3 is a flowchart of the startup combustion control.
[0024]
In S1, it is determined whether or not the ignition signal of the key switch 30 is turned on (whether the key position is set to the ignition ON position). If YES, proceed to S2; if NO, end this flow.
In S2, it is determined whether or not the start signal of the key switch 30 has been turned on (the key position has been set to the START position). If YES, it is determined that there is a cranking request for starting, and the process proceeds to S3. If NO, it is determined that there is no cranking request yet, and the process returns to S1.
[0025]
In S3, the starter motor is started to drive and the engine is cranked in the same manner as in the prior art for starting.
In S4, for the start, homogeneous combustion (homogeneous stoichiometric combustion) by intake stroke injection is performed as in the conventional case.
In S5, it is determined whether the exhaust purification catalyst 16 is activated. This determination can be made based on whether or not the air-fuel ratio sensor 28 disposed downstream of the exhaust purification catalyst 16 in the exhaust passage 15 is activated (whether the rich / lean output is inverted). Of course, the temperature of the exhaust gas purification catalyst 16 may be detected directly or indirectly from the exhaust gas temperature, and the determination may be made based on the detected temperature. Alternatively, the temperature of the exhaust gas purification catalyst 16 may be estimated from the water temperature Tw, and the determination may be made based on the estimated temperature.
[0026]
If the exhaust purification catalyst 16 has not been activated (if NO), the process proceeds to S6. On the other hand, if the exhaust purification catalyst 16 has been activated (if YES), it is determined that there is no need to perform control for promoting catalyst activation, and the process proceeds to S8, in which a conventional normal combustion is performed to improve fuel efficiency. By the control, combustion is performed in a combustion mode (homogeneous stoichiometric combustion, homogeneous lean combustion, stratified lean combustion, etc.) according to the operation state, and the present flow ends.
[0027]
In S6, it is determined whether or not a condition for permitting stratified stoichiometric combustion by split injection for promoting catalyst activation is satisfied. Specifically, for example, when all of the following conditions (1) to (3) are satisfied, stratified stoichiometric combustion is permitted.
(1) The air-fuel ratio sensor 27 is activated (alternatively, a predetermined time has elapsed since the complete explosion). This is necessary when performing air-fuel ratio feedback control during stratified stoichiometric combustion. Since the air-fuel ratio sensor 27 is provided on the upstream side of the catalyst 16 and has a small heat capacity, the activation speed is extremely high as compared with the catalyst 16. In addition, since the air-fuel ratio sensor 27 can be forcibly heated (activated) by an electric heater or the like, the detection result of the air-fuel ratio sensor 27 during the stratified stoichiometric combustion (during the warm-up process of the catalyst 16) can be obtained. It is possible to perform air-fuel ratio feedback control based on the above.
[0028]
(2) Being idle. Specifically, it is confirmed that the idle switch is ON and that the engine speed Ne and the intake air amount Qa are within predetermined upper limit values to lower limit values, respectively.
(3) The water temperature Tw is equal to or higher than a predetermined value. This is because, when the water temperature Tw is lower than the predetermined value, the piston crown surface temperature is low, and the atomization and vaporization promotion of the stratified mixture using the piston crown surface are not performed well.
[0029]
If the conditions for permitting stratified stoichiometric combustion are not satisfied, the shift to stratified stoichiometric combustion by split injection is prohibited, and the process returns to S4 in order to continue homogeneous combustion by intake stroke injection.
If the conditions for permitting stratified stoichiometric combustion are satisfied, the process proceeds to S7.
In S7, stratified stoichiometric combustion by split injection is performed to promote early activation of the exhaust purification catalyst 16. Detailed control here is performed in accordance with the flowchart of FIG. 4 described later, including control at the time of switching from homogeneous combustion to stratified stoichiometric combustion and control at the time of switching from stratified stoichiometric combustion to homogeneous combustion after completion of warm-up.
[0030]
During such stratified stoichiometric combustion, it is determined whether or not the exhaust purification catalyst 16 has been activated (S22 in the flow of FIG. 4). If not activated, stratified stoichiometric combustion is continued but activated. If so, the stratified stoichiometric combustion is terminated, and the routine proceeds to S8.
In S8, as a normal combustion control, the mode is shifted to a combustion mode (homogeneous stoichiometric combustion, homogeneous lean combustion, stratified lean combustion, etc.) according to the operating state, and then this flow is finished.
[0031]
FIG. 4 is a flowchart of stratified stoichiometric combustion control, which is executed in S7 of the flow of FIG.
In S11, prior to switching from homogeneous combustion to stratified stoichiometric combustion, control is performed to switch the fuel pressure (fuel pressure) to the fuel injection valve 8 to the fuel pressure required to perform stratified stoichiometric combustion (see FIG. 11A). . In stratified stoichiometric combustion, fuel is divided into an intake stroke and a compression stroke, and fuel injection is performed. Therefore, when performing single injection so that the pulse width of each injection is greater than or equal to a value that can ensure linearity with respect to the fuel injection amount, Switching control is performed so as to lower the fuel pressure in comparison.
[0032]
More specifically, since the actual fuel pressure detected by the fuel pressure sensor 26 is compared with the target fuel pressure and the valve opening duty to the high pressure regulator 14 is feedback-controlled, the target fuel pressure is set to a predetermined low pressure side. , The valve opening duty is increased, the return flow rate is increased, and the fuel pressure is reduced. Then, after the actual fuel pressure reaches the target fuel pressure and stabilizes, the process proceeds to S12.
[0033]
In S12, the ignition timing is gradually retarded (see FIG. 11B).
When switching from the homogeneous combustion to the stratified stoichiometric combustion, it is necessary to increase and correct the torque in order to eliminate the torque decrease at the time of switching to the stratified stoichiometric combustion with low thermal efficiency. Since it is controlled to the MBT (maximum torque generation ignition timing) so as to achieve fuel efficiency (or engine stability), there is no advance correction of the ignition timing for increasing the torque as it is.
[0034]
Therefore, first, in S12, the ignition timing is gradually retarded until an advance correction allowance capable of correcting a torque increase at the time of combustion switching can be secured. More specifically, a target retard ignition timing that can secure the advance correction allowance is calculated from a map or the like based on the engine speed, load, and the like, and a predetermined retard ratio is calculated until the target retard ignition timing is reached. And gradually retard.
[0035]
In S13, it is determined whether or not the ignition timing has reached the target retarded ignition timing. If not, the process returns to S12 to further retard the ignition timing. As a result, when the target retard ignition timing has been reached, the process proceeds from S13 to S14 in order to switch from homogeneous combustion to stratified stoichiometric combustion.
In S14, the compression stroke injection timing in the stratified stoichiometric combustion is set to be advanced as the water temperature Tw is higher (for example, in the range of 60 ° BTDC to 70 ° BTDC) according to the water temperature Tw which is a parameter correlated to the engine temperature. . Note that the intake stroke injection timing is constant (for example, 50 ° ATDC).
[0036]
Specifically, as shown in the flowchart of FIG. 5, referring to the map of FIG. 6 in S101, the basic compression stroke injection timing for stratified stoichiometric combustion (basic IT; In step S102, a correction value (ΔIT) from the water temperature Tw on the advance side with respect to the basic IT is set with reference to the table of FIG. 7, and in step S103, ΔIT is added to the basic IT. The compression stroke injection timing for stratified stoichiometric combustion (IT = basic IT + ΔIT) is calculated.
[0037]
In S15, the normal fuel injection (only the intake stroke injection) is switched to the split injection of the intake stroke injection and the compression stroke injection, and the stratified stoichiometric combustion is started by performing the compression stroke injection at the timing set in S14. (See FIG. 11c).
In S16, at the same time as the switching to the stratified stoichiometric combustion, the ignition timing is advanced at a stretch (the amount of the retard correction is set to 0), and the ignition timing is returned to the MBT before the start of the retard correction (see c in FIG. 11). This eliminates the occurrence of a torque step at the time of combustion switching, and ensures stable operability.
[0038]
In S17, the optimum ignition timing (target value) in the stratified stoichiometric combustion is set so as to be retarded as the water temperature Tw is higher according to the water temperature Tw which is a parameter correlated with the engine temperature (for example, 7 ° BTDC to 0 °). BTDC range).
Specifically, as shown in the flowchart of FIG. 8, the basic ignition timing for stratified stoichiometric combustion (basic ADV; advanced angle value from compression TDC) is determined from the engine speed and the load in S201 with reference to the map of FIG. ), And in S202, a correction value (ΔADV) for retarding the basic ADV from the water temperature Tw with reference to the table of FIG. 10 is set. In S203, ΔADV is subtracted from the basic ADV to obtain a stratified stoichiometric combustion. Is calculated (ADV = basic ADV−ΔADV).
[0039]
In S18, the ignition timing is gradually retarded (see d in FIG. 11). That is, control is performed to gradually retard the ignition timing (target value) for the stratified stoichiometric combustion set in S17. The optimal ignition timing in stratified stoichiometric combustion is retarded as much as possible within the limits of combustion stability, HC performance, smoke performance, etc., so that the exhaust gas temperature can be raised as much as possible. .
[0040]
In this way, the torque step at the time of switching from the homogeneous combustion for starting to the stratified stoichiometric combustion for raising the exhaust gas temperature is eliminated, and after the switching, the activation of the exhaust purification catalyst 16 by the stratified stoichiometric combustion is maximized. can do.
In S19, it is determined whether or not the ignition timing has reached an optimal ignition timing (target value) in stratified stoichiometric combustion. If not, the process returns to S18 and further retards the ignition timing. As a result, if the target retard ignition timing has been reached, the process proceeds from S19 to S20.
[0041]
In S20, similarly to S14, the compression stroke injection timing in stratified stoichiometric combustion is reset according to the water temperature Tw that gradually rises with the promotion of warm-up according to the flowchart of FIG. 11e).
In step S21, similarly to step S17, the ignition timing in the stratified stoichiometric combustion is reset according to the water temperature Tw that gradually rises with the promotion of warm-up according to the flowchart of FIG. 8 so as to be retarded as the water temperature Tw increases (FIG. 11). F)).
[0042]
In S22, it is determined whether or not the exhaust purification catalyst 16 has been activated (warm-up has been completed). This determination is performed in the same manner as in S5 of the flow in FIG.
If the exhaust purification catalyst 16 has not been activated (if NO), the process returns to S20 and S21. Therefore, stratified stoichiometric combustion is continued while resetting the compression stroke injection timing and the ignition timing from the water temperature Tw.
[0043]
On the other hand, if the exhaust purification catalyst 16 is activated (if YES), the process proceeds to S23 and thereafter, and control at the time of switching from stratified stoichiometric combustion to homogeneous combustion is started to end stratified stoichiometric combustion (FIG. 11). g).
In S23, the ignition timing is gradually advanced. That is, in contrast to the control at the time of switching from homogeneous combustion to stratified stoichiometric combustion, in order to suppress a torque increase at the time of combustion switching, a delay correction allowance for retarding the ignition timing at the time of combustion switching is secured. Therefore, the angle is gradually advanced (see h in FIG. 11).
[0044]
In S24, it is determined whether or not the ignition timing has reached the target advance ignition timing. If not, the process returns to S23 to further advance the ignition timing. As a result, when the target advance ignition timing has been reached, the process proceeds from S24 to S25.
In S25, in order to correspond to normal fuel injection, switching control is performed so as to increase the fuel pressure (fuel pressure) to the fuel injection valve 8 (see i in FIG. 11). Specifically, the actual fuel pressure detected by the fuel pressure sensor 26 is compared with the target fuel pressure, and the valve opening duty to the high-pressure pressure regulator 14 is feedback-controlled. By returning to the value, the valve opening duty is reduced, the return flow rate is reduced, and the fuel pressure is increased.
[0045]
In S26, by switching to the normal homogeneous combustion by terminating the split injection (see i in FIG. 11).
In S27, at the same time as switching to homogeneous combustion, the ignition timing is immediately retarded (see i in FIG. 11). This eliminates the occurrence of a torque step at the time of combustion switching, and ensures stable operability.
[0046]
In S28, the ignition timing is gradually advanced (see j in FIG. 11). That is, the angle is gradually advanced to the MBT suitable for the combustion after the switching.
In S29, it is determined whether or not the ignition timing has reached the MBT. If not, the flow returns to S28 to further advance the ignition timing. As a result, if the MBT has been reached, the process returns from S29.
[0047]
FIG. 11 shows a series of controls at the time of switching from the homogeneous combustion to the stratified stoichiometric combustion and from the stratified stoichiometric combustion to the homogeneous combustion.
Next, the control of the fuel injection timing (particularly the compression stroke injection timing) and the ignition timing in the stratified stoichiometric combustion in the present invention will be described in more detail.
Since the compression stroke injection timing IT during stratified stoichiometric combustion affects the combustion performance, conventionally, the operability and combustion stability are secured based on the injection timing in stratified lean combustion after warm-up. It is set to be the maximum.
[0048]
However, as shown in FIG. 12, the range of the compression stroke injection timing IT in which stratified stoichiometric combustion can be achieved changes depending on the engine temperature (water temperature) (A1 to A3). Therefore, if the water temperature is neglected, the IT must be set within an extremely narrow region so that stratified stoichiometric combustion is realized in all temperature ranges, and the exhaust temperature increase effect due to the IT delay is sufficiently achieved. Can not.
[0049]
Therefore, it is desirable to determine the compression stroke injection timing IT according to the engine temperature (water temperature).
In addition, when the fuel pressure is reduced in order to secure the injection time of the fuel injection valve in the divided injection during stratified stoichiometric combustion, as shown by EX in FIG. The force is reduced, the fuel spray is spread, and the fuel spray reaching around the spark plug 9 via the bowl portion 6a on the piston crown surface is reduced.
[0050]
Therefore, as the engine temperature (water temperature) becomes lower, it is necessary to delay the compression stroke injection timing to secure the fuel amount around the spark plug.
On the other hand, as the engine temperature (water temperature) increases, the atomization of fuel improves, so that the air-fuel ratio around the spark plug becomes over-rich, and smoke is generated as unburned.
[0051]
Therefore, the over-rich is prevented by advancing the compression stroke injection timing with an increase in the engine temperature (water temperature).
Therefore, in stratified stoichiometric combustion at the time of catalyst warm-up request, the compression stroke injection timing IT is advanced as the engine temperature (water temperature) increases.
Further, not only the compression stroke injection timing IT during stratified stoichiometric combustion but also the ignition timing ADV is similarly controlled so as to be optimal according to the engine temperature (water temperature).
[0052]
FIG. 13 shows the combustion stability limit, the smoke limit, and the HC limit during stratified stoichiometric combustion with the ignition timing ADV on the horizontal axis and the compression stroke injection timing IT on the vertical axis, when the water temperature Tw = 20 ° C. (at the time of cooling). The bold line shows a thin line when the water temperature Tw = 40 ° C. (warm-up process).
According to this, it is understood that the substantially triangular settable region surrounded by the three limit lines changes according to the water temperature Tw.
[0053]
In addition, in the substantially triangular shape (within the settable area) surrounded by the three limit lines, the top of the injection timing IT retard side and the ignition timing ADV retard side where the exhaust gas temperature increasing effect is maximum is the best effect point. In contrast to the effect vest at the water temperature Tw = 20 ° C., the effect vest point at the water temperature Tw = 40 ° C. moves to the lower left (injection timing IT advance direction and ignition timing ADV retard direction).
[0054]
Therefore, as the engine temperature (water temperature) rises, the compression stroke injection timing IT is advanced and the ignition timing ADV is retarded, so that the effect is set to its maximum.
Next, the setting of the compression stroke injection timing during stratified stoichiometric combustion will be described in more detail.
FIG. 14A shows changes in combustion stability, smoke, HC, and exhaust temperature with respect to the compression stroke injection timing IT during stratified stoichiometric combustion at a water temperature Tw = 20 ° C.
[0055]
When the compression stroke injection timing IT is retarded, the surroundings of the ignition plug become rich, resulting in a large CO, and the after-burning of O2 in the lean mixture formed by injection in the intake stroke can be promoted, thereby reducing HC. An increase in exhaust temperature is obtained.
However, if the compression stroke injection timing IT is too retarded, the air-fuel ratio around the ignition plug exceeds the rich limit (approximately A / F <9), and the combustion becomes unstable, and at the same time, the fuel remains unburned. As a result, smoke is generated.
[0056]
Therefore, it is necessary to set the compression stroke injection timing IT at which combustion stability is established and no smoke is generated. In the case of FIG. 14A, the compression stroke injection timing IT is determined by the combustion stability limit.
FIG. 14B shows changes in combustion stability, smoke, HC, and exhaust temperature with respect to the compression stroke injection timing IT during stratified stoichiometric combustion at a water temperature Tw = 40 ° C.
[0057]
Even when the water temperature Tw = 40 ° C., although the absolute values of the HC and the exhaust temperature change, the tendency is the same as when the water temperature Tw = 20 ° C. As for the combustion stability and smoke, the smoke limit shifts to the advanced side, and is reversed from the combustion stability limit. Therefore, in the case of FIG. 14B, the compression stroke injection timing IT is determined by the smoke limit.
Therefore, as is clear from the comparison between the best effect point (flammability limit) in FIG. 14A and the best effect point (smoke limit) in FIG. 14B, the engine temperature (water temperature) increases. In addition, it is understood that it is better to advance the compression stroke injection timing IT.
[0058]
Next, the setting of the ignition timing at the time of stratified stoichiometric combustion will be described in more detail.
FIG. 15 shows changes in combustion stability, smoke, HC, and exhaust temperature with respect to the ignition timing ADV during stratified stoichiometric combustion at a water temperature Tw = 20 ° C., for example.
When the ignition timing ADV is retarded, afterburning can be promoted, and HC reduction and exhaust temperature rise can be obtained. Also, smoke is reduced. However, if the ignition timing ADV is too retarded, the combustion becomes unstable. Therefore, the ignition timing ADV to be set is determined by the combustion stability limit.
[0059]
The combustion stability limit becomes more retarded as the engine temperature (water temperature) rises. This is because, as the engine temperature (water temperature) rises, fuel atomization is promoted, and a good air-fuel mixture is secured around the ignition plug and the wall of the combustion chamber. This is because there is room.
Therefore, it can be seen that it is better to retard the ignition timing ADV along with the shift of the combustion stability limit to the retard side due to an increase in the engine temperature (water temperature).
[0060]
As described above, according to the present embodiment, at the time of a warm-up request of the exhaust purification catalyst, fuel injection is divided, and early injection in the intake stroke and late injection in the second half of the compression stroke are performed by the ignition timing, By advancing the injection timing of the late injection as the parameter correlating to the engine temperature indicates that the engine temperature is higher, it is possible to enhance the effects of improving emissions and promoting warm-up while ensuring combustion stability. Performance can be greatly improved.
[0061]
Further, according to the present embodiment, at the time of a warm-up request for the exhaust gas purification catalyst, the ignition timing is retarded so that a parameter correlated to the engine temperature indicates that the engine temperature is high. Control can be performed in which the exhaust temperature increase effect, combustion stability, HC performance, and smoke performance are more comprehensively considered.
Further, according to this embodiment, when performing the split injection at the time of the warm-up request of the exhaust purification catalyst, the injection pressure in each injection in the split injection is made longer by lowering the fuel pressure than in the normal single injection. Thus, each injection can be performed in a linear region of the injection pulse width-fuel injection amount characteristic, and control accuracy can be improved.
[0062]
Further, according to the present embodiment, by using the engine water temperature as a parameter correlated to the engine temperature, it can be easily implemented without adding a special sensor.
In the above embodiment, the engine water temperature is used as a parameter correlated to the engine temperature. However, the piston crown surface temperature directly related to the combustion performance (particularly, the surface temperature of the bowl 6a recessed in the crown surface of the piston 6). May be used.
[0063]
The piston crown surface temperature may be directly detected by a thermocouple or the like embedded in the piston 6 (particularly, the crown surface), or may be estimated as a pseudo coolant temperature based on the engine coolant temperature Tw.
The pseudo water temperature corresponding to the piston crown surface temperature has a delay with respect to a change in the engine water temperature based on an initial value corresponding to the cooling water temperature at the time of starting and a delay correction coefficient corresponding to the intake air amount for each predetermined cycle. It can be calculated by having it.
[0064]
A specific estimation method will be described with reference to FIG.
The pseudo water temperature TWF [t] (t is the elapsed time after the ignition signal is turned on), which is correlated with the piston crown surface temperature, starts from the pseudo water temperature initial value TWF0 according to the starting water temperature TWe0, and the intake air amount per unit time. It converges toward the engine coolant temperature Twe with a first-order delay by a delay correction coefficient Ktwf determined by Qa.
[0065]
TWF [t] = TWe [t] − (TWe [t] −TWF [t−1]) × (1−Ktwf) where TWF [0] = TWe [0], and t is IGN / SW-ON. This is the elapsed time. The pseudo water temperature initial value TWF0 can be obtained by referring to a table or the like shown in FIG. 16 based on the starting water temperature TWe0, and the delay correction coefficient Ktwf is referred to a table or the like shown in FIG. 16 based on the intake air amount Qa. You can ask for it.
[0066]
As described above, by using the piston crown surface temperature as a parameter correlated to the engine temperature, when a rich air-fuel mixture is formed around the ignition plug using the piston crown surface, the temperature directly related to the success or failure of stratified stoichiometric combustion. Can be detected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram of an engine showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of stratified stoichiometric combustion.
FIG. 3 is a flowchart of start-time combustion control.
FIG. 4 is a flowchart of stratified stoichiometric combustion control.
FIG. 5 is a flowchart for setting a compression stroke injection timing for stratified stoichiometric combustion;
FIG. 6 is a basic value map of a compression stroke injection timing for stratified stoichiometric combustion.
FIG. 7 is a correction value table for a compression stroke injection timing for stratified stoichiometric combustion.
FIG. 8 is a flowchart of setting an ignition timing for stratified stoichiometric combustion.
FIG. 9 is a basic value map of ignition timing for stratified stoichiometric combustion.
FIG. 10 is a correction value table for stratified stoichiometric combustion ignition timing.
FIG. 11 is a timing chart of switching from a start to a stratified stoichiometric combustion.
FIG. 12 is a diagram showing an IT establishment region according to water temperature.
FIG. 13 is a diagram showing an area where IT and ADV can be set;
FIG. 14 is a diagram showing a change in performance due to IT;
FIG. 15 is a diagram showing a change in performance due to ADV.
FIG. 16 is an explanatory diagram of a piston crown surface temperature estimation method.
[Explanation of symbols]
1 engine
2 Intake passage
3 Throttle valve
6 piston
6a bowl
7 Combustion chamber
8 Fuel injection valve
9 Spark plug
12 High pressure fuel pump
14 High pressure regulator
15 Exhaust passage
16 Exhaust gas purification catalyst
20 control unit
25 Water temperature sensor

Claims (11)

筒内に直接臨んで燃料噴射弁が配設された直噴火花点火式エンジンにおいて、排気浄化触媒の暖機要求時に、燃料噴射を分割して、点火時期までに早期噴射と後期噴射とを行い、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど後期噴射の噴射時期を進角することを特徴とする直噴火花点火式エンジンの制御装置。In a direct-injection spark-ignition engine in which a fuel injection valve is arranged directly in the cylinder, fuel injection is divided when warm-up of the exhaust purification catalyst is required, and early injection and late injection are performed by the ignition timing. A control device for a direct injection spark ignition engine, wherein the injection timing of late injection is advanced as a parameter correlated with the engine temperature indicates that the engine temperature is higher. 早期噴射は吸気行程で、後期噴射は圧縮行程で行うことを特徴とする請求項1記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。2. The control device for a direct injection spark ignition engine according to claim 1, wherein the early injection is performed in an intake stroke and the latter injection is performed in a compression stroke. 後期噴射は圧縮行程の後半で行うことを特徴とする請求項2記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。3. The control device for a direct-injection spark ignition engine according to claim 2, wherein the late injection is performed in the latter half of the compression stroke. 排気浄化触媒の暖機要求時に、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど点火時期を遅角することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。The engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the ignition timing is retarded as the parameter correlated to the engine temperature indicates that the engine temperature is higher when the exhaust purification catalyst is required to warm up. Control device for direct injection spark ignition type engine. ピストン冠面にボウル部が形成され、燃料噴射弁はボウル部を指向して燃料を噴射し、後期噴射は、圧縮行程の後半において、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど進角することを特徴とする請求項1記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。A bowl portion is formed on the piston crown surface, and the fuel injection valve injects fuel in a direction toward the bowl portion. In the latter half of the compression stroke, a parameter correlated with the engine temperature indicates that the engine temperature is higher. 2. The control device for a direct-injection spark ignition engine according to claim 1, wherein the engine is advanced. 排気浄化触媒の暖機要求時に、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど点火時期を遅角することを特徴とする請求項5記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。6. The control device for a direct-injection spark ignition engine according to claim 5, wherein, when a warm-up of the exhaust purification catalyst is requested, the ignition timing is retarded as a parameter correlated to the engine temperature indicates that the engine temperature is higher. 排気浄化触媒の暖機要求時に分割噴射を行う際、通常の1回度噴射よりも燃料圧力を低下させることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。The direct injection spark according to any one of claims 1 to 6, wherein when performing the split injection at the time of a warm-up request of the exhaust purification catalyst, the fuel pressure is made lower than in a normal single injection. Control device for ignition engine. エンジン温度に相関するパラメータはエンジン冷却水温度であることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。The control device for a direct injection spark ignition engine according to any one of claims 1 to 7, wherein the parameter correlated with the engine temperature is an engine coolant temperature. エンジン温度に相関するパラメータはピストン冠面温度であることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。The control device for a direct injection spark ignition engine according to any one of claims 1 to 7, wherein the parameter correlated with the engine temperature is a piston crown surface temperature. 排気浄化触媒の暖機要求時に、燃料噴射を分割して、吸気行程での早期噴射と圧縮行程での後期噴射とを行い、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど後期噴射の噴射時期を進角することを特徴とする直噴火花点火式エンジンの制御方法。At the time of requesting warm-up of the exhaust purification catalyst, the fuel injection is divided into early injection during the intake stroke and late injection during the compression stroke, and the later injection indicates that the parameter correlated to the engine temperature indicates that the engine temperature is higher. A method for controlling a direct-injection spark ignition engine, wherein the injection timing of the engine is advanced. 排気浄化触媒の暖機要求時に、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど点火時期を遅角することを特徴とする請求項10記載の直噴火花点火式エンジンの制御方法。11. The control method for a direct-injection spark ignition engine according to claim 10, wherein the ignition timing is retarded as the parameter correlated to the engine temperature indicates that the engine temperature is higher when the exhaust purification catalyst is required to warm up.
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