JP2006083834A - 筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 炭化水素（ＨＣ）の増加を抑制しつつ、燃焼室内での燃料燃焼に伴い発生する微小粒子の排気ガス処理用フィルタのトラップ性能を向上させ、微小粒子の排出を抑制し得る筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】 燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置において、排気系にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を配設し、また、上記燃焼室への燃料の噴射に際し、燃料の微小粒子の粒径を制御する粒径制御手段を設ける。粒径制御手段は、エンジンの運転状態が炭化水素（ＨＣ）の排出が増加し得る所定の運転状態にあるとき、微小粒子の粒径が小さくなるように作動させられ、エンジンの運転状態が上記所定の運転状態とは異なる状態にあるとき、エンジンから排出される微小粒子が、ＤＰＦでトラップ可能な粒径を有するように作動させられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、気筒の燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置に関する。

近年、エンジン等から排出される排気ガス中に含まれる粒子の中でも特に１００ｎｍ以下の径を有する微小粒子（所謂ナノ粒子）の人体への影響が懸念されている。この微小粒子については、同じ重量でも粒子個数が多いため総表面積が大きいため、表面に存在する有害化学物質の影響がより顕著に現れることが知られている。将来的には、単位排気量当たりの微小粒子数を規制する大気環境基準が導入されることが予想され、これに対処するためにも、排気ガス中に含まれる微小粒子数を効果的に減少させる技術が求められる。

現在、排気ガス内の粒子は重量濃度に基づき規制されており、例えばディーゼルエンジンにおいては、排気ガスをディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと表記）等の排気ガス処理装置に通過させ、排気ガス中に含まれる粒子を捕集（トラップ）することが行われる。また、一方、ガソリンエンジンにおいて、単位排気量当たりの粒子数を減らすには、基本的に、エンジンの燃焼室内での燃料の気化霧化時間をより長く確保して、燃料の燃焼効率を向上させることが望ましい。特に気筒の燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式ガソリンエンジンにおいては、燃料の気化霧化時間が短く、部分的に過濃な混合気が生成されるため、不完全燃焼となり、微小粒子が多く排出されることから、高い燃焼効率の実現が求められる。これに対処し得る技術として、例えば特開平４−２４１７５３号公報には、燃焼室内温度に応じて、燃料噴射時期を変更する技術が、具体的には、燃料室内温度が低い場合に燃料噴射時期を進角させることで、混合気の形成及びエミッションを向上させ、また、スモークの発生を防止するものが開示されている。
また、別に、ガソリンエンジンにおいて単位排気量当たりの粒子数を減少させ得る手段としては、例えば特開２００３−２０６７３２号公報に、燃焼室でのガソリンの燃焼に伴い発生する微小粒子を、排気通路中に設けた排気ガス処理用のフィルタを用いて除去するようにした技術が開示されている。

特開平４−２４１７５３号公報 特開２００３−２０６７３２号公報

ところで、軽油を使用するディーゼルエンジンとガソリンエンジンとでは、粒子サイズが異なる。ディーゼルエンジンの場合、粒径は平均２００〜５００ｎｍであるのに対し、ガソリンエンジンの場合、粒径はディーゼルエンジンよりも小さい１００ｎｍ以下である。そして、通常、ＤＰＦは、ディーゼルエンジン用であるため、小さくてもせいぜい３０ｎｍ以上の微小粒子しか確実にトラップすることはできない。したがって、粒径の小さい微小粒子が多く排出されるガソリンエンジンにおいてＤＰＦを設けても、微小粒子を十分にトラップすることはできない。

そこで、本出願人は、ガソリンエンジンにおいてもＤＰＦで微小粒子をトラップ可能となるよう粒径をコントロールすることを考えた。例えば燃圧を低下する若しくは吸気流動を弱くするなど、各種パラメータを調整することにより、燃焼室内への燃料噴射時における燃料の微細化を軽減して、燃料の粒径を大きくする等の粒径制御を行うことが考えられる。しかし、エンジン始動時など触媒装置の触媒が活性化していない状態や加速時など炭化水素（ＨＣ）の排出量が多い運転状態の下では、燃料の粒径が大きくなることで、燃焼室内での燃料の気化霧化効率が低下すれば、炭化水素が著しく増加するという問題が発生する。

そこで、この発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、炭化水素（ＨＣ）の増加を抑制しつつ、燃焼室内での燃料燃焼に伴い発生する微小粒子の排気ガス処理用フィルタのトラップ性能を向上させ、微小粒子の排出を抑制し得る筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置において、排気系にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が配設され、また、上記燃焼室への燃料の噴射に際し、燃料の粒径を制御する粒径制御手段が設けられており、上記粒径制御手段は、エンジンの運転状態が炭化水素（ＨＣ）の排出が増加し得る所定の運転状態にあるとき、燃焼室内での燃料の気化霧化を促進するように作動させられる一方、エンジンの運転状態が上記所定の運転状態とは異なる状態にあるとき、エンジンから排出される微小粒子が、上記ディーゼルパティキュレートフィルタでトラップ可能な粒径を有するように作動させられることを特徴としたものである。

また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、上記粒径制御手段は、燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力を調整する手段であって、エンジンの運転状態が上記所定の運転状態にあるときに、燃料の圧力を上昇させ、エンジンの運転状態が上記所定の運転状態とは異なる状態にあるときには、燃料の圧力を低下させることを特徴としたものである。

更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において、上記燃焼室内への燃料が高流量となる領域では、上記粒径制御手段による上記燃料の圧力の低下を制限することを特徴としたものである。

また、更に、本願の請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明において、上記粒径制御手段は、吸気流動を制御する吸気流動制御手段であって、エンジンの運転状態が所定の運転状態にあるときに、該吸気流動を増加させ、エンジンの運転状態が所定の運動状態とは異なる状態にあるときには、該吸気流動を減少させることを特徴としたものである。

また、更に、本願の請求項５に係る発明は、請求項１〜４に係る発明のいずれかにおいて、所定の運転状態は、触媒温度が所定温度以下である状態若しくは過渡状態のいずれかにおける運転状態であることを特徴としたものである。

本願の請求項１に係る発明によれば、ディーゼルエンジンに比べてエンジンから排出される微小粒子の粒径が小さい筒内噴射式ガソリンエンジンにおいて、エンジンの運転状態が炭化水素（ＨＣ）の排出が増加し得る所定の運転状態にあるとき、燃焼室内での燃料の気化霧化を促進して、ＨＣ排出量の増大を抑制しつつ、ＤＰＦでトラップ可能な粒径をもつ微小粒子を生成することができ、また、一方、エンジンの運転状態が上記所定の運転状態とは異なる状態にあるとき、微小粒子をＤＰＦでのトラップ効率を向上させることができる。

また、本願の請求項２に係る発明によれば、燃圧の低下によって燃料の気化霧化効率を低下させ、排気ガス中に含まれる微小粒子を、ＤＰＦでトラップ可能な粒径をもつ粒子とすることができる。

更に、本願の請求項３に係る発明によれば、燃焼室内への燃料が高流量となる領域において、燃料の圧力の低下を制限することにより、噴射パルス幅が長くなり噴射パルス幅と燃料噴射量との間のリニア性が不良になることに起因する燃料の流量不足を抑制することができる。

また、更に、本願の請求項４に係る発明によれば、吸気系における燃料の流動を弱めることにより、燃料の気化霧化効率を低下させ、エンジンから排出される微小粒子を、ＤＰＦでトラップ可能な粒径をもつように大きくすることができる。

また、更に、本願の請求項５に係る発明によれば、触媒が不活性である状態若しくは過渡状態におけるＨＣ排出量の増大を抑制しつつ、排気ガス中に含まれる微小粒子を、ＤＰＦでトラップ可能な粒径をもつように大きくすることができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る筒内噴射式エンジン及び該エンジンに対して燃圧制御を行うシステム構成をあらわす図である。筒内噴射式エンジン１は、基本的に、ピストン１３の吸気する行程時に燃料を燃焼室４内に噴射することで、燃焼室４内の混合気が均一である状態での燃焼（所謂均一燃焼）を行う多気筒エンジンである。

このエンジン１では、吸気弁２が開かれたときに、シリンダヘッド１６内に構成される吸気ポート３を介して燃焼室４内に燃料燃焼用のエアが吸入され、かかる燃焼室４内のエア中に、所定のタイミングでインジェクタ５から燃料（ガソリン）が噴射され、混合気が形成される。気筒１４毎に設けられた各インジェクタ５には、燃料供給系３１内で燃料ポンプ（不図示）により燃料タンク（不図示）から汲み上げられ加圧された燃料が、共通の燃料分配通路３０を介して送り込まれる。この燃料分配通路３０には、各インジェクタ５に供給される燃料の圧力（燃圧）を検出する燃圧センサ３０ａが設けられている。また、燃料分配通路３０には、燃料の流量を計測する燃料流量計（不図示）が設けられてもよい。

燃焼室４内で形成された混合気は、ピストン１３により圧縮され、点火プラグ７及びそれに接続される点火回路８により所定のタイミングで点火されて燃焼する。点火プラグ７及び点火回路８は、エンジン本体に構成される気筒１４毎に設けられ、それぞれ、所定の点火タイミングで点火を行い、混合気を燃焼させる。なお、点火プラグ７の点火タイミングは、自在にリタード（遅角）させる若しくはアドバンス（進角）させることができる。燃焼ガスすなわち排気ガスは、排気弁９が開かれたときに、シリンダヘッド１６内に構成された排気ポート１７を通じて排気マニホールド１８へ排出される。

また、吸気弁２及び排気弁９には、それぞれ、可変動弁機構２ａ及び９ａが取り付けられ、これら可変動弁機構２ａ及び９ａにより吸気弁２及び排気弁９の開閉作動時期（バルブタイミング）が個々に変更されるようになっている。

排気ポート１７に連通する排気マニホールド１８には、排気中の酸素濃度に基づき空燃比を検出するリニアＯ_２センサ２１が設けられている。また、排気マニホールド１８に接続する排気管１９には、排気浄化用触媒としてＣＯ，ＨＣ及びＮＯｘを浄化する三元触媒を用いた触媒コンバータ２０が介設され、触媒コンバータ２０の下流側には、触媒の劣化状態を判定するために、出力が理論空燃比を境に反転するラムダＯ_２センサ２２が設けられている。更に、排気管１９には、該排気管１９内に通過する排気ガスの一部をＥＧＲ（exhaust gas recirculation）として吸気管３２に戻す排気ガス再循環通路（以下、ＥＧＲ通路と表記）２３が設けられ、このＥＧＲ通路２３に、ＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ弁２９が介設されている。

他方、吸気ポート３に連通する吸気マニホールド２４には、燃費向上を図り、燃料と空気の混合比を最適化すべく、吸気マニホールド２４内のエア流動を制御する吸気流動制御弁（以下、ＴＳＣＶと表記）２５が設けられている。また、吸気マニホールド２４に連通する吸気管３２には、エアの流れを安定化させるサージタンク２６と、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量に応じて開閉されてエアを絞るスロットル弁２７と、吸気管３２内に通過する吸入エアの流量を検出するエアフローセンサ２８とが設けられている。スロットル弁２７には、該スロットル弁２７の開度、すなわちアクセルペダル（不図示）の踏み込み量を検出するアクセル開度センサ４５が取り付けられている。なお、特に図示しないが、エアフローセンサ２８の上流側には、通常、エア中のダスト等を除去するエアクリーナが設けられる。

この実施形態では、エンジン本体において、シリンダブロック１０に配設されて、ウォータジャケット１５内を還流する冷却水の温度を検出する水温センサ４１，シリンダブロック１０の下部側壁に配設されて、クランク軸１１の基準位置からの回転角度を検出するクランク角センサ４２が設けられている。クランク軸１１の回転角度を検出することで、クランク軸１１にロッド１２を介して連結されたピストン１３の気筒１４内での位置が求まる。

また、エンジン本体に直接に配設されるセンサ以外に、エンジン１には、例えばエンジン１のエアクリーナ（不図示）に配設されて、吸気ポート３へ吸入される吸入エアの温度（吸気温度）を検出する吸気温センサ４３，エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ４４と、が設けられている。
なお、ここでは、エンジンに搭載されるセンサとして代表的なもの若しくは本発明に関連するもののみを挙げ、それ以外のセンサについてはその説明を省略する。

この実施形態では、排気管１９において、触媒コンバータ２０及びラムダＯ_２センサ２２の下流側に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）４７が設けられている。このＤＰＦ４７の内部は、１ｍｍ角程度の断面を持った細いセル通路に区画され、通路の端面が交互に目封じされている。基本的には、セラミックス製の多孔質体からなり、セル通路間の壁の内部には、直径が数μ〜数十μｍの気孔が３次元的に無数に連通して形成されている。このＤＰＦ４７において、上流側が開口されたセル通路の入口から流入した排気ガスは、セル通路間の壁内部の気孔を通過し、下流側が開口された隣のセル通路から排出される。この際に、排気ガス中に含まれる微小粒子は気孔にトラップされ、壁に堆積する。このようなメカニズムにより、ＤＰＦ４７では、エンジン１から排出される微小粒子の約９０％をトラップし低減することができる。

以上のような構成を備えたエンジン１に対して、該エンジン１を制御するエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと表記）４０が設けられている。このＥＣＵ４０は、コンピュータからなる、エンジン１用の総合的な制御装置であって、各種センサから検出された情報、例えば、エアフローセンサ２８によって検出される吸入エアの流量，水温センサ４１によって検出されるエンジン水温，クランク角センサ４２によって検出されるクランク軸１１の回転角度，吸気温センサ４３によって検出される吸気温度，エンジン回転数センサ４４によって検出されるエンジン回転数，アクセル開度センサ４５やアイドルスイッチ（アクセルペダル全閉時にＯＮされるスイッチであるが、ここでは不図示）によって検出されるアクセル開度，燃料流量計によって検出されるインジェクタ５への燃料流量等の各種パラメータ情報に基づいて、インジェクタ５における燃料噴射タイミング制御や燃圧制御，点火プラグ７における点火時期制御，スロットル弁２７におけるアイドル回転数制御，ＴＳＣＶ２５における吸気マニホールド２４内のエア流動制御などの各種制御を行う。このＥＣＵ４０は、その内部に、制御回路（不図示）を有しており、各種制御を行うに際して実行される補正，演算，判定等の処理は、その制御回路によって行われる。

この実施形態では、また、ＥＣＵ４０が、排気ガス中に含まれる微小粒子のサイズ分布が、例えば燃圧，吸気流動，燃焼温度等の各種パラメータに基づき変化するという特性を利用して、それら各種パラメータを制御し、ＤＰＦ４７により確実にトラップされ得る粒径をもつ微小粒子の割合が大きくなるように、微小粒子の粒径制御を行う。例えば、燃圧が高くなるほど、粒径の小さい微小粒子の割合が大きくなり、また、同様に、吸気流動が強くなる（すなわちＴＳＣＶ２５の開度が小さくなる）ほど、粒径の小さい微小粒子の割合が大きくなる。

図２Ａには、異なる燃圧（燃圧５．５ＭＰａ，８．５ＭＰａ，１１．５ＭＰａ）の下で得られた排気ガス中に含まれる微小粒子のサイズ分布をあらわす。燃圧５．５ＭＰａの下では、粒子サイズ（粒径）３０〜６０ｎｍの微小粒子の数が最も多くなり、粒径７〜３０ｎｍ及び６０〜１０４ｎｍの微小粒子の数が同程度になる。また、燃圧８．５ＭＰａの下では、粒径７〜３０ｎｍの微小粒子の数が最も多くなり、粒径３０〜６０ｎｍ及び６０〜１０４ｎｍの順に少なくなる。更に、燃圧１１．５ＭＰａの下では、燃圧８．５ＭＰａの場合と同様に、粒径７〜３０ｎｍの微小粒子の数が最も多くなり、粒径３０〜６０ｎｍ及び６０〜１０４ｎｍの順に少なくなる。次に、粒径別に比較すると、粒径７〜３０ｎｍについては、燃圧が高くなるほど、微小粒子数が多くなり、また、粒径３０〜６０ｎｍ及び６０〜１０４ｎｍについては、燃圧が高くなるほど、微小粒子数が少なくなる。図２Ａからは、燃圧が高くなるほど、粒径の小さい微小粒子の割合が大きくなり、燃圧が低くなるほど、粒径の大きい微小粒子の割合が大きくなることが明らかである。

また、図２Ａには、異なる燃圧の下で得られたＤＰＦ通過前の微小粒子数及びＤＰＦ通過前の総微小粒子数を、それぞれ、「Ｔｏｔａｌ（ＤＰＦ通過前）」及び「Ｔｏｔａｌ（ＤＰＦ通過後）」としてあらわす。ここから分かるように、ＤＰＦ通過前のトータルでは、燃圧５．５ＭＰａの下で得られた微小粒子の数が最も多く、燃圧が高くなるほど、微小粒子数は少なくなる。ただし、ここでは、燃圧が低いほど粒径の大きい微小粒子の割合が大きく、その結果、排気ガスがＤＰＦ４７を通過する際に、粒径の大きい微小粒子がＤＰＦ４７でトラップされることから、燃圧５．５ＭＰａの下で得られたＤＰＦ通過後の微小粒子の数が最も少なくなる。
このように、ＤＰＦ４７が配設された上で、燃圧を低下させ、粒径の大きい微小粒子の割合を大きくする粒径制御を行うことで、最終的な排気ガス中に含まれる微小粒子数を少なくすることができる。

他方、図２Ｂには、異なる吸気流動状態（ＴＳＣＶ２５の開状態及び閉状態）の下で得られた微小粒子のサイズ分布をあらわす。なお、ここでの「開状態」とは、ＴＳＣＶ２５の開度が大きく、吸気流動が強い状態をあらわし、また、「閉状態」とは、ＴＳＣＶ２５の開度が開状態と比べて小さく、吸気流動が弱い状態をあらわし、ＴＳＣＶ２５が完全に閉じた状態をあらわすものでない。

ＴＳＣＶ２５が開状態にある場合には、粒径３０〜６０ｎｍの微小粒子の数が最も多くなり、粒径７〜３０ｎｍ，６０〜１０４ｎｍの順に、微小粒子の数が少なくなる。また、ＴＳＣＶ２５が閉状態にある場合には、粒径７〜３０ｎｍ及び３０〜６０ｎｍの微小粒子の数が同程度になり、粒径６０〜１０４ｎｍの微小粒子の数がそれより少なくなる。次に、粒径別に比較すると、粒径７〜３０ｎｍについては、ＴＳＣＶ２５が閉状態にある場合には、微小粒子数が多くなり、また、粒径３０〜６０ｎｍ及び６０〜１０４ｎｍについては、ＴＳＣＶ２５が開状態にある場合には、微小粒子数が少なくなる。図２Ｂからは、ＴＳＣＶ２５の開度が小さくなるほど、粒径の小さい微小粒子の割合が大きくなり、ＴＳＣＶ２５の開度が大きくなるほど、粒径の大きい微小粒子の割合が大きくなることが明らかである。

また、図２Ｂには、異なる吸気流動状態の下で得られたＤＰＦ通過前の微小粒子数及びＤＰＦ通過前の総微小粒子数を、それぞれ、「Ｔｏｔａｌ（ＤＰＦ通過前）」及び「Ｔｏｔａｌ（ＤＰＦ通過後）」としてあらわす。ここから分かるように、ＤＰＦ通過前のトータルでは、ＴＳＣＶ２５が開状態にある場合に得られた微小粒子の数が多くなる。ただし、ここでは、ＴＳＣＶ２５の開度が大きいほど粒径の大きい微小粒子の割合が大きく、その結果、排気ガスがＤＰＦ４７を通過する際に、粒径の大きい微小粒子がＤＰＦ４７でトラップされることから、ＴＳＣＶ２５が開状態にある場合にＤＰＦ通過後の微小粒子の数が少なくなる。
このように、ＤＰＦ４７が配設された上で、ＴＳＣＶ２５の開度を大きくし、粒径の大きい微小粒子の割合を大きくする粒径制御を行うことで、ＤＰＦ４７での微小粒子のトラップ効率を向上させ、最終的な排気ガス中に含まれる微小粒子数を少なくすることができる。

ところで、図１に示すシステム構成では、燃圧に関して、エンジン始動後に、触媒が活性化するまでの間の触媒コンバータ２０における排気ガス処理性能を向上させるべく、燃圧を１１．５ＭＰａまで上昇させ、気化霧化を促進することが行われ、また、ＴＳＣＶ２５に関しても、エンジン始動後に、同様の目的で、ＴＳＣＶ２５の開度を小さくし、吸気流動を強くして、気化霧化を促進することが行われる。すなわち、エンジン始動後の排気ガス処理性能を向上させる上では、燃圧を上昇させる若しくは吸気流動を強くすることが求められ、他方、前述したようなＤＰＦ４７でのトラップ効率を向上させる上では、燃圧を低下させる若しくは吸気流動を弱くすることが求められる。

このように、排気ガス処理性能の向上及びＤＰＦ４７でのトラップ効率の向上を実現するための条件は相反するが、通常、エンジン始動直後には、燃焼温度やエンジン水温が低いため、気化霧化が十分に行われず、燃圧を上昇させてもあるいは吸気流動を強くしても、粒径は比較的大きくなるエンジン特性があり、かかるエンジン特性によれば、触媒コンバータ２０における排気ガス処理性能が所定以上に及ばない場合にも、燃圧を上昇させあるいは吸気流動を強くして、気化霧化を促進し、触媒コンバータ２０における排気ガス処理性能を確保しつつ、比較的大きな粒径をもつ微小粒子をＤＰＦ４７にてトラップするようにして、ＤＰＦ４７での良好なトラップ効率を実現することができる。また、燃焼温度及び触媒温度が安定した領域では、前述した通り、燃圧を低下させる又は吸気流動を弱くすることで、ＤＰＦ４７でのトラップ効率を向上させる。以下、ＤＰＦ４７でのトラップ効率を向上させるために、ＥＣＵ４０により実行される制御処理について詳しく説明する。

図３は、ＤＰＦ４７での微小粒子のトラップ効率を向上させるための、燃圧制御を伴う制御処理についてのフローチャートである。この処理では、まず、各種センサから検出される各種パラメータ信号が読み込まれる（♯１１）。具体的には、エアフローセンサ２８によって検出される気筒２内に吸入されるエアの流量，エンジン回転数センサ４４によって検出されるエンジン回転数，水温センサ４１によって検出されるエンジン水温等が読み込まれる。次に、その時点でのエンジン回転数及びエンジン負荷による運転状態に基づき、図４に示すようなマップから、基本燃圧が設定される（♯１２）。図４は、ＥＣＵ４０に予め設定されたマップであり、エンジン回転数及びエンジン負荷による運転状態が、互いに異なるベース燃圧２．５ＭＰａ，７ＭＰａ，１１．５ＭＰａがそれぞれ設定された運転領域Ａ，Ｂ，Ｃに区画されてなるマップである。基本燃圧の設定に際しては、その時点でのエンジン回転数及びエンジン負荷による運転状態が、マップ上の運転領域Ａ，Ｂ及びＣのいずれに該当するかが判断され、それに応じた基本燃圧が設定される。

次に、触媒コンバータ２０における触媒温度が低いか否か、すなわち触媒が活性化しているか否かが判断される（♯１３）。ここでは、例えば触媒コンバータ２０に設けられた温度センサ（不図示）により検出したり、経過時間から間接的に判断したりすることで、触媒温度が所定の温度（以下、安定温度という）より大きいか否かが判断される。♯１３の結果、触媒温度が低いと判断された場合には、排気ガス処理性能を向上させ、ＨＣの発生を抑制するために、燃圧が基本燃圧から所定圧大きく設定され（＃１４）、その後、燃圧に応じた燃料噴射パルス幅が算出される（♯１７）。以上でメインルーチンへリターンされる。

また、一方、＃１３の結果、触媒温度が低くない、すなわち触媒温度が安定温度に達し触媒が活性化していると判断された場合には、引き続き、その時点でのエンジンの運転状態が過渡状態にあるか否かが判断される（＃１５）。例えば、スロットル弁２７の開度の所定値以上の変化量が加速側又は減速側にあるかによって、過渡状態にあるか否かが判断される。その結果、過渡状態にあると判断された場合には、ＨＣが増加する可能性があることから、♯１７へ進み、燃圧の低下が実行されない。他方、過渡状態にないと判断された場合には、引き続き、エンジン回転数及びエンジン負荷による運転状態が、燃料が高流量となる運転領域Ｃに該当するか否かが判断される（♯１６）。

＃１６の結果、運転状態が運転領域Ｃに該当すると判断された場合、♯１７へ進む。ここでは、運転領域Ｃに該当する運転状態の下で燃圧の低下が実行されると、噴射パルス幅が長くなり、燃料噴射パルス幅と燃料噴射量との間のリニア性が不良になる高流量側に達して、燃料流量不足が生じる可能性があるため、燃圧の低下が防止される。他方、＃１６の結果、運転状態が運転領域Ｃに該当しないと判断された場合には、引き続き、基本燃圧が所定圧だけ低下させられる（＃１８）。

＃１８の後、燃圧に応じた燃料噴射パルス幅が算出される（♯１９）。続いて、燃料噴射パルス幅がその上限から所定値αを引いた値（上限−α）よりも大きいか否かが判断される（＃２０）。その結果、燃料噴射パルス幅が（上限−α）以下であると判断された場合には、♯１８へ戻り、それ以降のステップが繰り返される。このように♯１８〜２０の繰返しにより、燃圧が低下し、噴射パルス幅が燃料噴射パルス幅と燃料噴射量との間のリニア性が確保される範囲の上限付近に設定されることとなる。

他方、♯１８の結果、燃料噴射パルス幅が（上限−α）より大きいと判断された場合には、引き続き、燃料が上限よりも大きいか否かが判断される（＃２１）。その結果、燃料噴射パルス幅が上限以下であると判断された場合には、即時にメインルーチンへリターンされる。他方、燃料噴射パルス幅が上限よりも大きいと判断された場合には、噴射パルス幅が燃料噴射パルス幅と燃料噴射量との間のリニア性を確保するために、基本燃圧が所定圧だけ上昇させられ（＃２２）、上昇後の燃圧に応じた燃料噴射パルス幅が算出される（＃２３）。その後、♯２１へ戻り、それ以降のステップが繰り返される。♯１８〜２０及び♯２１〜２３の繰返しにより、燃料噴射パルス幅が（上限−α）より大きく上限を超えない所定の範囲に収められる。

なお、燃圧の低下に際して、燃圧が過度に低下させられると、噴射パルス幅が長くなり、燃料噴射パルス幅と燃料噴射量との間のリニア性が不良になる高流量側に達して、燃料流量不足が生じる可能性があるが、燃圧が所定値以下になることを回避するために、図４に示すマップ上の各運転領域Ａ，Ｂ及びＣについて最小燃圧を設定し、燃圧をその最小燃圧まで低下させるようにしてもよい。図５は、図４に示すマップ上の各運転領域に対して最小燃圧が設定されたマップである。図４及び５から分かるように、運転領域Ａについては、基本燃圧２．５ＭＰａに対して最小燃圧０．５ＭＰａが設定され、運転領域Ｂについては、基本燃圧７ＭＰａに対して最小燃圧３ＭＰａが設定され、また、運転領域Ｃについては、基本燃圧１１．５ＭＰａに対して最小燃圧６ＭＰａが設定されている。

図６は、燃圧低下に際して過度の燃圧低下を回避するための、図５のマップを用いた制御処理についてのフローチャートである。この処理では、まず、各種センサから検出される各種パラメータ信号が読み込まれる（♯３１）。具体的には、エアフローセンサ２８によって検出される気筒２内に吸入されるエアの流量，エンジン回転数センサ４４によって検出されるエンジン回転数，水温センサ４１によって検出されるエンジン水温等が読み込まれる。次に、その時点でのエンジン回転数及びエンジン負荷による運転状態に基づき、図４に示すようなマップから、基本燃圧が設定される（♯３２）。

次に、触媒温度が低いか否か、すなわち触媒が活性化しているか否かが判断される（♯３３）。その結果、触媒温度が低いと判断された場合には、排気ガス処理性能を向上させ、ＨＣの発生を抑制するために、燃圧が基本燃圧から所定圧大きく設定され（＃３４）、以上でメインルーチンへリターンされる。また、一方、＃３３の結果、触媒温度が低くない、すなわち触媒温度が安定温度に達し触媒が活性化していると判断された場合には、引き続き、その時点でのエンジンの運転状態が過渡状態にあるか否かが判断される（＃３５）。その結果、過渡状態にあると判断された場合には、ＨＣが増加する可能性があることから、即時にメインルーチンへリターンされ、燃圧の低下が実行されない。他方、過渡状態にないと判断された場合には、引き続き、図５に示すようなマップに基づき、最小燃圧に設定される（♯３６）。以上でメインルーチンへリターンされる。

図７は、ＤＰＦ４７での微小粒子のトラップ効率を向上させるための、吸気流動制御を伴う制御処理についてのフローチャートである。この処理では、まず、各種センサから検出される各種パラメータ信号が読み込まれる（♯４１）。具体的には、エアフローセンサ２８によって検出される気筒２内に吸入されるエアの流量，エンジン回転数センサ４４によって検出されるエンジン回転数，水温センサ４１によって検出されるエンジン水温等が読み込まれる。次に、触媒温度が低いか否かが判断される（♯４２）。具体的な判断方法は、図３中の＃１３及び図５中の♯３３と同様である。♯４２の結果、触媒温度が低いと判断された場合には、排気ガス処理性能を向上させ、ＨＣの発生を抑制するために、ＴＳＣＶ２５が閉状態にされ、すなわち、ＴＳＣＶ２５の開度が小さくされる。以上でメインルーチンへリターンされる。

また、一方、＃４２の結果、触媒温度が低くないと判断された場合には、引き続き、その時点でのエンジンの運転状態が過渡状態にあるか否かが判断される（＃４３）。具体的な判断方法は、図３中の＃１５及び図５中の♯３５と同様である。＃４３の結果、過渡状態にあると判断された場合には、ＨＣが増加する可能性があることから、♯４４へ進み、ＴＳＣＶ２５が閉状態にされ、他方、過渡状態にないと判断された場合には、ＴＳＣＶ２５が開状態にされる（♯４５）。以上でメインルーチンへリターンされる。

図８は、車速及びエンジン回転数の変動に伴い実行される前述した燃圧制御及び吸気流動制御に基づく燃圧及びＴＳＣＶの開閉状態のエンジン始動時からの推移をあらわす図である。車速及びエンジン回転数の変動に伴い、燃圧は図４に示すようなマップに基づき適宜変化させられ、他方、吸気流動は初期の所定期間を除いて強い状態に保たれる、すなわち、吸気流動制御弁２５が閉状態に保持される。エンジン始動後、触媒温度及びエンジン水温は次第に上昇する。触媒温度が安定温度に達した後、従来の燃圧制御によれば、燃焼室４における燃料の気化霧化を促進させるべく、破線で示すように、噴射時における燃料の微粒化を図り、燃圧は上昇させられるが、これに対して、本実施形態に係る燃圧制御によれば、粒径の大きい微小粒子の割合が大きくなるサイズ分布を実現すべく、実線で示すように、燃圧が低下させられる。

また、触媒温度が安定温度に達した後、従来の吸気流動制御によれば、燃焼室４における燃料の気化霧化を促進させるべく、破線で示すように、噴射時における燃料の微粒化を図り、吸気流動制御弁２５は閉状態に保たれるが、これに対して、本実施形態に係る吸気流動制御によれば、粒径の大きい微小粒子の割合が大きくなるサイズ分布を実現すべく、実線で示すように、吸気流動制御弁２５は閉状態から開状態に切り替えられる。

以上説明したように、筒内噴射式ガソリンエンジン１を制御する上で、エンジン始動直後に、燃焼温度やエンジン水温が低いことから、気化霧化が十分に行われず、燃圧を上昇させてもあるいは吸気流動を強くしても、粒径は比較的大きくなるエンジン特性を用いることで、触媒が不活性である状態若しくは過渡状態にある場合には、燃圧を上昇させあるいは吸気流動を強くして、気化霧化を促進し、触媒機能を確保しつつ、比較的大きな粒径をもつ微小粒子をＤＰＦ４７にてトラップするようにして、ＤＰＦ４７での良好なトラップ効率を実現することができる。また、燃焼温度及び触媒温度が安定した領域では、燃圧を低下させる又は吸気流動を弱くすることで、ＤＰＦ４７でのトラップ効率を向上させることができる。
更に、燃焼室４内への燃料が高流量となる領域において、燃料の圧力の低下を制限することにより、噴射パルス幅が長くなり噴射パルス幅と燃料噴射量との間のリニア性が不良になることに起因する燃料の流量不足を抑制することができる。

なお、本発明は、例示された実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

本願発明に係る筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置は、自動車等の車両を含み、筒内噴射式ガソリンエンジンが搭載されるものであれば、いかなるものにも適用可能である。

本発明の実施形態に係る筒内噴射式エンジン及び該エンジンに対して燃料粒子サイズ制御を行うシステム構成をあらわす図である。 異なる燃圧の下で得られた排気ガス中に含まれる微小粒子のサイズ分布、及び、ＤＰＦ通過前後における総微小粒子数の変化をあらわす説明図である。 異なる吸気流動状態の下で得られた排気ガス中に含まれる微小粒子のサイズ分布、及び、ＤＰＦ通過前後における総微小粒子数の変化をあらわす説明図である。 ＤＰＦでのトラップ効率を向上させるための、燃圧制御を利用したエンジン制御処理についてのフローチャートである。 エンジン回転数及びエンジン負荷による運転状態が、それぞれ異なるベース燃圧が設定された運転領域に区画されてなるマップである。 図４に示す各運転領域に対して最小燃圧が設定されたマップである。 燃圧低下に際して過度の燃圧低下を回避するための、図５のマップを用いた制御処理についてのフローチャートである。 ＤＰＦでのトラップ効率を向上させるための、吸気流動制御を利用したエンジン制御処理についてのフローチャートである。 車速及びエンジン回転数の変動に伴い実行される燃圧制御及び吸気流動制御に基づいた燃圧及びＴＳＣＶの開閉状態のエンジン始動時からの推移をあらわす図である。

符号の説明

１…エンジン
２…吸気弁
３…吸気ポート
４…燃焼室
５…インジェクタ
７…点火プラグ
８…点火回路
９…排気弁
１１…クランク軸
１２…ロッド
１３…ピストン
１４…気筒
２０…触媒コンバータ
２４…吸気マニホールド
２５…吸気流動制御弁
２７…スロットル弁
２８…エアフローセンサ
３０…燃料分配通路
３０ａ…燃圧センサ
３１…燃料供給系
４０…ＥＣＵ
４１…水温センサ
４２…クランク角センサ
４３…吸気温センサ
４４…エンジン回転数センサ
４５…アクセル開度センサ
４７…ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）

Claims (5)

1. 燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置において、
   排気系にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が配設され、また、上記燃焼室への燃料の噴射に際し、燃料の粒径を制御する粒径制御手段が設けられており、
   上記粒径制御手段は、エンジンの運転状態が炭化水素（ＨＣ）の排出が増加し得る所定の運転状態にあるとき、燃焼室内での燃料の気化霧化を促進するように作動させられる一方、エンジンの運転状態が上記所定の運転状態とは異なる状態にあるとき、エンジンから排出される微小粒子が、上記ディーゼルパティキュレートフィルタでトラップ可能な粒径を有するように作動させられる、ことを特徴とする筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置。
2. 上記粒径制御手段は、燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力を調整する手段であって、エンジンの運転状態が上記所定の運転状態にあるときに、燃料の圧力を上昇させ、エンジンの運転状態が上記所定の運転状態とは異なる状態にあるときには、燃料の圧力を低下させることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置。
3. 上記燃焼室内への燃料が高流量となる領域では、上記粒径制御手段による上記燃料の圧力の低下を制限することを特徴とする請求項２記載の筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置。
4. 上記粒径制御手段は、吸気流動を制御する吸気流動制御手段であって、エンジンの運転状態が所定の運転状態にあるときに、該吸気流動を増加させ、エンジンの運転状態が所定の運動状態とは異なる状態にあるときには、該吸気流動を減少させることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置。
5. 所定の運転状態は、触媒温度が所定温度以下である状態若しくは過渡状態のいずれかにおける運転状態であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の筒内噴射式ガソリンエンジンの制御装置。
   

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