JP2007064210A

JP2007064210A - 圧縮着火内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2007064210A
Application number: JP2006211834A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ogawa; 賢小川; Toru Kitamura; 徹北村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: JP4339878B2

Abstract

【課題】冷却水温と機関回転数を含む内燃機関の運転状態から許容できる限り、圧縮着火運転への切り替えを許可することで、圧縮着火運転の活用範囲を拡大するようにした圧縮着火内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】前記内燃機関の要求トルクＰＭＣＭＤが、前記内燃機関の冷却水温と機関回転数に応じて設定された所定範囲内にあるか否か判定し（Ｓ２００からＳ２１４）、所定範囲内にあると判定されるとき、火花点火運転から圧縮着火運転への切り替えを許可する（Ｓ２１６）。
【選択図】図５

Description

この発明は、圧縮着火内燃機関の制御装置に関する。

近時、ガソリンを燃料とする内燃機関において、下記の特許文献１に記載されるように、所定の運転領域で燃焼室に供給される混合気を圧縮着火燃焼させる圧縮着火（Homogeneous Charge Compression Ignition）運転（ＨＣＣＩ運転）を行うと共に、それ以外の運転領域で点火プラグを介して混合気を火花点火燃焼させる火花点火（Spark Ignition）運転を行う、いわゆる圧縮自己着火内燃機関が、種々提案されている。そのような内燃機関は、圧縮比を火花点火機関より上げることができて熱効率あるいは燃費性能も向上させることができる。

特許文献１記載の技術にあっては、水温センサで検出した機関の冷却水温が、温度センサで検出した吸気温度に応じて設定された所定温度よりも低い場合、圧縮着火運転を禁止することで、内燃機関を常に安定して運転させるように構成している。
特開２０００−８７７４９号公報

上記した従来技術においては、冷却水温が吸気温度に応じて設定される所定温度以上であれば、エンジン回転数と要求トルクで規定される許可運転領域にある限り、圧縮着火運転に移行するように制御される。しかしながら、上記した従来技術においては、許可運転領域にあるとき、冷却水温が所定温度以上か否かで移行を判断しているため、圧縮着火運転を十分に活用することができない不都合があった。

即ち、冷却水温が低いときは燃焼室の壁温も低いことから、新気の量を増加して昇温する必要があるが、その結果、圧縮着火運転領域は高負荷側に移動する。従って、冷却水温に応じて圧縮着火運転領域を変化させることが考えられるが、その場合、冷却水温が上昇すると、ノックが発生する。しかしながら、冷却水温が低く、壁温が低い領域であれば、ノックを惹起することなく、圧縮着火運転が可能である。その点で、上記した従来技術は、圧縮着火運転を十分に活用できない不都合があった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、冷却水温と機関回転数を含む内燃機関の運転状態から許容できる限り、圧縮着火運転への切り替えを許可することで、圧縮着火運転の活用範囲を拡大するようにした圧縮着火内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃焼室に点火手段を備え、所定の運転領域で前記燃焼室に供給される混合気を圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転を行うと共に、前記所定の運転領域以外の運転領域で前記点火手段を介して前記混合気を火花点火燃焼させる火花点火運転を行う圧縮着火内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の要求トルクが、前記内燃機関の冷却水温と機関回転数に応じて設定された所定範囲内にあるか否か判定する要求トルク範囲判定手段、および前記要求トルクが前記所定範囲内にあると判定されるとき、前記火花点火運転から前記圧縮着火運転への切り替えを許可する切り替え許可手段とを備える如く構成した。

請求項２に係る圧縮着火内燃機関の制御装置にあっては、前記所定範囲が、さらに前記内燃機関に接続される変速機の変速比に応じて設定される如く構成した。

請求項１に係る圧縮着火内燃機関の制御装置にあっては、内燃機関の要求トルクが、内燃機関の冷却水温と機関回転数に応じて設定された所定範囲内にあるか否か判定し、所定範囲内にあると判定されるとき、火花点火運転から圧縮着火運転への切り替えを許可する如く構成したので、機関回転数からＴＤＣ間隔において最適であると共に、冷却水温が低く、壁温が低い領域などの圧縮着火運転が可能な領域を規定することができ、よって圧縮着火運転の活用範囲を拡大することができる。

請求項２に係る圧縮着火内燃機関の制御装置にあっては、所定範囲がさらに内燃機関に接続される変速機の変速比に応じて設定される如く構成したので、請求項１で述べた効果に加え、減速比が大きい（即ち、エンジン回転数などの変化速度が大きい）ときは所定範囲を狭く設定することで、火花点火運転と圧縮着火運転の切り替えビジーによるドライバビリティの悪化やエミッションの悪化を防止すると共に、減速比が小さい（エンジン回転数などの変化速度が小さい）ときは所定範囲を最大限まで拡大することで、燃費を向上させることができ、よってドライバビリティ、エミッション、および燃費を高い次元でバランスさせることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る圧縮着火内燃機関の制御装置を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る圧縮着火内燃機関の制御装置を全体的に示す概略図である。

図１において、符号１０は、ガソリンを燃料とする４気筒４サイクルの内燃機関（１気筒のみ図示。以下「エンジン」という）を示す。エンジン１０において、エアクリーナ１２から吸入されて吸気管１４を通る空気（吸気）はスロットルバルブ１６で流量を調節されて吸気マニホルド２０を流れ、２個の吸気バルブ（１個のみ図示）２２が開弁されるとき、燃焼室２４に流入する。

吸気バルブ２２の手前の吸気ポート付近にはインジェクタ２６が配置される。インジェクタ２６には燃料供給管（図示せず）を介して燃料タンク（図示せず）に貯留されたガソリン燃料が圧送される。インジェクタ２６は、駆動回路（図示せず）を通じてＥＣＵ（Electronic Control Unit。電子制御ユニット）３０に接続される。

インジェクタ２６は、ＥＣＵ３０から開弁時間を示す駆動信号が駆動回路を通じて供給されると開弁し、開弁時間に応じたガソリン燃料を吸気ポートに噴射する。噴射されたガソリン燃料は、流入した空気と混合して混合気（予混合気）を形成し、吸気バルブ２２が開弁されるとき、燃焼室に流入する。

燃焼室２４には点火プラグ（点火手段）３２が配置される。点火プラグ３２はイグナイタなどからなる点火装置（点火手段。図示せず）を介してＥＣＵ３０に接続され、ＥＣＵ３０から点火信号が供給されると、燃焼室に臨む電極間に火花放電を生じる。混合気はそれによって着火されて燃焼し、ピストン３４を下方に駆動する。

尚、エンジン１０は、所定の運転領域で混合気を圧縮着火燃焼させる圧縮着火（Homogeneous Charge Compression Ignition）運転と、点火プラグ３２などを介して火花点火燃焼させる火花点火（Spark Ignition）運転の間で切り替え自在な、圧縮着火エンジン（内燃機関）として構成される。

燃焼によって生じた排気（排ガス）は、２個の排気バルブ（１個のみ図示）３６が開弁するとき、排気マニホルド４０に流れる。

尚、排気バルブ３６と吸気バルブ２２は、ステムに閉弁用電磁ソレノイド３６ａ，２２ａと、開弁用電磁ソレノイド３６ｂ，２２ｂと、スプリング３６ｃ，２２ｃと、スプリング３６ｄ，２２ｄとが装着され、各電磁ソレノイド３６ａ，２２ａ，３６ｂ，２２ｂの電磁力によって作動する電磁弁として構成される。排気バルブ３６と吸気バルブ２２は、具体的には、閉弁用電磁ソレノイド３６ａ，２２ａを励磁し、開弁用電磁ソレノイド３６ｂ，２２ｂを消磁することで閉弁されると共に、閉弁用電磁ソレノイド３６ａ，２２ａを消磁し、開弁用電磁ソレノイド３６ｂ，２２ｂを励磁することで開弁される。このように、排気バルブ３６と吸気バルブ２２は、装着された各電磁ソレノイド３６ａ，２２ａ，３６ｂ，２２ｂを励磁・消磁されることで、クランクシャフト（図示せず）の回転角度に関わりなく、バルブ（開閉）タイミングを可変に調整する可変バルブ機構３８として構成される。

排気マニホルド４０は下流で集合して排気系集合部を形成し、そこに排気管４２が接続される。排気は排気マニホルド４０から排気管４２を流れる。排気管（排気系）４２には、三元触媒からなる触媒装置４４が配置される。排気は、触媒装置４４が活性状態にあるとき、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘなどの有害成分を除去されてエンジン外の大気に放出される。

排気管４２は、ＥＧＲ管４６を介して吸気管１４にスロットルバルブ１６が配置される位置の下流付近で接続される。ＥＧＲ管４６にはＥＧＲバルブ４６ａが介挿される。ＥＧＲバルブ４６ａはＥＣＵ３０に電気的に接続され、駆動されるとき、ＥＧＲ管４６を開放して排気の一部の吸気系への還流（外部ＥＧＲ）を行う。

排気管４２において触媒装置４４の上流には、ターボチャージャ５０が設けられる。ターボチャージャ５０は、図１に模式的に示す如く、排気管４２に配置され、そこを通過する排気で回転させられるタービン５０ａと、タービン５０ａに連結されつつ吸気管１４に配置され、タービン５０ａの回転力で駆動されて過給するコンプレッサ５０ｂからなる。タービン５０ａの付近には、可変ノズル（図示せず）が設けられ、タービン５０ａのインペラ（図示せず）を流れる排気の流量や速度を調整する。

また、吸気管１４に配置されたスロットルバルブ１６には、スロットルアクチュエータ（パルスモータなど）５２が連結され、スロットルアクチュエータ５２によって開閉される。即ち、スロットルバルブ１６は、エンジン１０が搭載される車両（図示せず）の運転席床面に配置されたアクセルペダル５４との機械的な接続が絶たれ、スロットルバルブ１６をアクセルペダル５４の動作と独立に開閉するＤＢＷ（Drive By Wire）機構５６として構成される。

ピストン３４の往復動はコンロッドを介してクランクシャフト（図示せず）を回転させる。エンジン１０には、前進５速、後進１速からなる自動変速機（図に「Ａ／Ｔ」と示す）５８が接続される。クランクシャフトの回転を通じて入力されたエンジン１０の回転は自動変速機５８で変速され、駆動輪（図示せず）に伝達されて車両を走行させる。

エンジン１０のクランクシャフトの付近にはクランク角センサ６０が配置され、気筒判別信号と、各気筒のＴＤＣ（上死点）あるいはその付近のクランク角度を示すＴＤＣ信号と、ＴＤＣ信号を細分してなるクランク角度信号とを出力する。それらの出力はＥＣＵ３０に入力される。

ＥＣＵ３０はマイクロコンピュータからなり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路およびカウンタ（全て図示せず）を備える。ＥＣＵ３０は入力信号の中、クランク角度信号をカウントしてエンジン回転数ＮＥを算出（検出）する。

エアクリーナ１２の付近には温度検出素子を備えたエアフローメータ６２が配置され、エアクリーナ１２から吸入される空気（吸気）の流量（エンジン負荷を示す）Ｇａｉｒと温度ＴＡに応じた信号を出力する。

吸気管１４においてスロットルバルブ１６の下流にはＭＡＰセンサ６４が配置され、吸気管内圧力ＰＢＡを絶対圧で示す信号を出力すると共に、スロットルバルブ１６にはスロットル開度センサ６６が配置され、スロットルバルブ１６の位置（スロットル開度）ＴＨに応じた信号を出力する。また、スロットルアクチュエータ５２にはロータリエンコーダ７０が配置され、スロットルアクチュエータ５２の駆動量（回転量）に応じた信号を出力する。

エンジン１０の冷却水通路（図示せず）には水温センサ７２が配置されてエンジン冷却水温ＴＷに応じた信号を出力する。

アクセルペダル５４の付近にはアクセル開度センサ７４が設けられ、運転者のアクセルペダル踏み込み量を示すアクセル開度（エンジン負荷を示す）ＡＰに応じた信号を出力する。

排気系において、排気マニホルド４０の集合部の下流付近には広域空燃比センサ７６が配置され、その部位を流れる排気の酸素濃度（即ち、空燃比）に比例する信号を出力すると共に、ターボチャージャ５０のタービン５０ａの付近に配置された可変ノズルの付近には可変ノズル位置センサ８０が配置され、可変ノズルの位置に応じた信号を出力する。

自動変速機５８に作動油（Automatic Transmission Fluid）を供給する油路あるいはオイルパン（図示せず）の適宜位置にはＡＴＦ温度センサ８２が配置され、ＡＴＦ温度に比例した出力ＴＡＴＦを生じる。

上記したセンサ群の出力も、ＥＣＵ３０に入力される。ＥＣＵ３０は入力値に基づき、ＲＯＭに格納されている命令に従って後述するように、火花点火運転から圧縮着火運転への切り替え許可などの制御を実行する制御装置として機能する。

次いで、図１に示す制御装置の動作を説明する。

図２は、その動作、具体的にはＥＣＵ３０の動作を示すフロー・チャートである。尚、図示のプログラムは、所定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）ごとに時間割り込みで起動される。

以下説明すると、Ｓ１０において火花点火運転（以下「ＳＩ運転」という）から圧縮着火運転（以下「ＨＣＣＩ運転」という）への切り替えを許可するか否か判断し、Ｓ１２においてＳ１０の判断結果に従ってＨＣＣＩ運転とＳＩ運転のいずれかの運転モードを決定する。

尚、圧縮着火運転には燃焼室２４の内部の温度、即ち、ガス温度が１０００Ｋ程度必要なことから、ＥＣＵ３０は、排気行程において排気バルブ３６を閉じて排気の一部を排気系に排出させずに燃焼室２４に残留させる、いわゆる内部ＥＧＲを実行する。

即ち、ＥＣＵ３０は吸気バルブ２２と排気バルブ３６のバルブタイミングを、図３に実線で示す如く、制御する。より具体的には、図示の如く、排気バルブ３６の閉弁時期を進角させると共に、吸気バルブ２２の開弁時期を遅角させる（クランク角度において）。それによって、気筒内に所定量の排気を残留させて燃焼室２４の内部温度（筒内ガス温度）を高めて圧縮着火運転を可能とする。

また、混合気を火花点火燃焼させるとき、ＥＣＵ３０は、バルブタイミングを破線で示す特性に従って制御する。より具体的には、図示の如く、排気バルブ３６の閉弁時期と吸気バルブ２２の開弁時期を共にピストン上死点付近に変更させる。それによって、排気バルブ３６の閉弁が遅角されて燃焼室からのガスの排出量が増加する一方、吸気バルブ２２の開弁が進角されて吸入空気の流入が早められることから、排ガスは燃焼室に残留することなく、排気系に送り出される。

図４は図２のＳ１０のＨＣＣＩ運転への切り替え許可判断処理のサブ・ルーチン・フロー・チャートである。

先ずＳ１００においてフラグF_CIAREAOK（のビット）を決定する。このフラグのビットが１にセットされるとき、ＨＣＣＩ運転が可能な領域であることを意味することから、この判断は、ＨＣＣＩ運転が可能な領域であるか否か判断する処理に相当する。

図５はその処理のサブ・ルーチン・フロー・チャートである。

以下説明すると、Ｓ２００においてフラグF_CIOKのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグは、後述する如く、そのビットが１にセットされるとき、ＨＣＣＩ運転で燃焼可能であることを意味するので、ここでの判断はＨＣＣＩ運転で燃焼可能か否か判断することに相当する。

Ｓ２００で肯定されるときはＳ２０２に進み、検出されたエンジン冷却水温（エンジン温度）ＴＷとエンジン回転数ＮＥと変速比ＮＧＥＡＲとからマップ検索して要求トルクＰＭＣＭＤの上限値ＰＭＣ２Ｄを算出する。図６はその要求トルクの上限値のマップ特性を示す説明図である。

この実施例に係るエンジン１０はＤＢＷ機構５６で制御されることから、要求トルクＰＭＣＭＤは、以下のように算出される。
ＰＭＣＭＤ＝ＣＯＮＳＴ・ＰＳＥ／ＮＥ
上記で、ＣＯＮＳＴは定数である。ＰＳＥはアクセル開度ＡＰとエンジン回転数ＮＥとから予め設定されたマップ（特性図示省略）を検索して得られるエンジン１０の要求出力である。ＰＳＥは、具体的には、アクセル開度ＡＰが大きいほど、あるいはエンジン回転数ＮＥが高いほど、増加するように設定される。

要求トルクの上限値ＰＭＣ２Ｄは、上記した要求トルクを、エンジン冷却水温ＴＷとエンジン回転数ＮＥから変速比ＮＧＥＡＲごとに検索自在に分割したものであり、図６に示す如く、変速比が同一であれば、エンジン回転数ＮＥとエンジン冷却水温ＴＷが高くなるほど増加するように設定される。

図５の説明に戻ると、次いでＳ２０４に進み、同様に検出されたエンジン冷却水温ＴＷとエンジン回転数ＮＥと変速比ＮＧＥＡＲとからマップ検索して要求トルクの下限値ＰＭＤ２Ｃを算出する。要求トルクの下限値のマップ特性の図示は省略するが、図６とほぼ同様である。

尚、Ｓ２００で否定されてＨＣＣＩ運転で燃焼可能ではないと判断されるときはＳ２０６，Ｓ２０８に進み、同様に検出されたエンジン冷却水温ＴＷとエンジン回転数ＮＥと変速比ＮＧＥＡＲとからマップ検索して要求トルクの上限値ＰＭＣ２Ｄと要求トルク下限値ＰＭＤ２Ｃを算出する。それらのマップ特性の図示も省略するが、図６とほぼ同様である。ＨＣＣＩ運転で燃焼可能か否かで要求トルクの上下限値を相違させたのは、ヒステリシス特性を持たせ、ＨＣＣＩ運転とＳＩ運転の切り替えビジーによるドライバビリティの悪化を防止するためである。

次いでＳ２１０に進み、フラグF_THIDLEのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグは図示しない別処理においてエンジン１０がアイドル運転状態にないとき、そのビットが１にセットされることから、この判断はエンジン１０がアイドル運転状態にないか否か判断することに相当する。

Ｓ２１０で肯定されるときはＳ２１２に進み、決定された要求トルクＰＭＣＭＤが、Ｓ２０２あるいはＳ２０６で算出された要求トルク上限値ＰＭＣ２Ｄ以下か否か判断し、肯定されるときは、Ｓ２１４に進み、決定された要求トルクＰＭＣＭＤが、Ｓ２０４あるいはＳ２０８で算出された要求トルク下限値ＰＭＤ２Ｃ以上か否か判断する。

Ｓ２１４で肯定されるときはＳ２１６に進み、フラグF_CIAREAOKのビットを１にセットする。他方、Ｓ２１０からＳ２１４のいずれかで否定されるときはＳ２１８に進み、フラグF_CIAREAOKのビットを０にリセットする。

このように、図５の処理においては、要求トルクが上下限値（ＨＣＣＩ運転で燃焼可能か否かで異なって設定される）の範囲内にあると判断されるとき、ＨＣＣＩ運転が可能な領域と判断する。即ち、ＨＣＣＩ運転はＮＯＸ低減と熱効率（燃費性能）の点でＳＩ運転に優れるが、出力の点では劣るため、中、低負荷領域などの所定の運転領域にあるとき、エンジン１０はＨＣＣＩ運転が可能な領域にあると判断する。尚、低負荷領域であっても、アイドル運転状態を除外するのは、温度条件を成立させるのが困難であり、燃焼が不安定な状態に陥りやすいためである。

上記について敷衍すると、エンジン回転数ＮＥが例えば７００ｒｐｍよりも低い場合、ＴＤＣ間隔が長くなって内部ＥＧＲの熱量も壁面から冷却水に移動し、温度低下を招いて自着火が困難となる。他方、エンジン回転数ＮＥが例えば３５００ｒｐｍを超えると、ＴＤＣ間隔が短くなり過ぎて自着火の化学変化の反応時間を得ることが困難となる。従って、ＨＣＣＩ運転可能な領域を規定するエンジン回転数ＮＥは、最適なＴＤＣ間隔に基づき、例えば７００から３５００ｒｐｍに設定される。

また、エンジン冷却水温ＴＷが低いときは燃焼室２４の壁温も低いことから、新気の量を増加して昇温する必要があるが、その結果、ＨＣＣＩ運転領域は高負荷側に移動する。従って、エンジン冷却水温ＴＷに応じてＨＣＣＩ運転領域を変化させることが考えられるが、その場合、エンジン冷却水温ＴＷが上昇すると、ノックが発生する。しかしながら、エンジン冷却水温ＴＷが低く、壁温が低い領域であれば、ノックを惹起することなく、ＨＣＣＩ運転が可能である。

そこで、この実施例においては、要求トルクＰＭＣＭＤが、エンジン回転数ＮＥとエンジン冷却水温ＴＷに応じて設定された所定範囲内にあるか否か判定し、所定範囲内にあると判定されるとき、火花点火運転から圧縮着火運転への切り替えを許可する如く構成したので、エンジン冷却水温ＴＷが低く、壁温が低い領域などのＨＣＣＩ運転が可能な領域を規定することができ、よってＨＣＣＩ運転の活用範囲を拡大することができる。

さらに、所定範囲がさらに自動変速機５８の変速比ＮＧＥＡＲに応じて設定される如く構成したので、減速比が大きい（即ち、エンジン回転数ＮＥや負荷の変化速度が大きい）ときは所定範囲を狭く設定することで、切り替えビジーによるドライバビリティの悪化やエミッションの悪化を防止すると共に、減速比が小さい（エンジン回転数ＮＥや負荷の変化速度が小さい）ときは所定範囲を最大限まで拡大することで、燃費を向上させることができ、よってドライバビリティ、エミッション、および燃費を高い次元でバランスさせることができる。

図４フロー・チャートの説明に戻ると、次いでＳ１０２に進み、フラグF_TCTCIOK（のビット）を決定する。このフラグのビットが１にセットされるとき、エンジン１０が始動された後、触媒装置４４が活性状態にあることを意味することから、この判断は、触媒装置４４が活性状態にあるか否か判定する処理に相当する。

図７はその処理のサブ・ルーチン・フロー・チャートである。

以下説明すると、Ｓ３００においてフラグF_TCTCIOKのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグは、次いで述べる処理でそのビットが１にセットされることから、Ｓ３００の判断は通例否定されてＳ３０２に進み、触媒装置４４を暖機する触媒暖機運転、より具体的にはエンジン１０の始動後に触媒装置４４を急速に暖機する触媒暖機運転が終了したか否か判断する。尚、この暖機運転はエンジン１０が始動されてから所定時間、例えば数ｓｅｃ経過した時点で開始される。

Ｓ３０２で否定されるときはＳ３０４に進み、タイマ（ダウンカウンタ）ＴＴＣＴに所定値＃ＴＭＴＣ（例えば２ｓｅｃから３ｓｅｃ）をセットし、時間計測を開始し、Ｓ３０６に進み、フラグF_TCTCIOKのビットを０にリセットして一旦プログラムを終了する。次回以降のプログラムループにおいても、Ｓ３０２に進んで否定される限り、Ｓ３０４で所定値をセットし直してＳ３０６に進む。

次いで、その後のプログラムループにおいてＳ３０２で肯定されるときはＳ３０８に進み、触媒装置４４の温度ＴＣＴを求めて所定値（しきい値）＃ＴＣＴと比較し、求めた温度が所定値以上か否か判断する。Ｓ３０８で否定されるときはＳ３０４に進み、タイマＴＴＣＴに所定値をセットし直してＳ３０６に進むと共に、Ｓ３０８で肯定されるときはＳ３１０に進み、タイマＴＴＣＴの値が零になったか（所定値に相当する時間が経過したか）否か判断する。

Ｓ３１０で否定されるときはＳ３０６を経由してプログラムを終了すると共に、肯定されるときはＳ３１２に進み、フラグF_TCTCIOKのビットを１にセットしてプログラムを終了する。このフラグのビットが１にセットされることは触媒装置４４が活性状態にあると判定されることを意味する。

従って、その後のプログラムループでＳ３００での判断は肯定されてＳ３１４に進み、フラグF_TCTCIOKのビットを１にセットし続ける。即ち、図７の処理で一旦このフラグのビットが１にセットされた後、そのトリップ（エンジン１０が停止されるまでの走行）では触媒装置４４の活性状態判断は行わない。

ここで、Ｓ３０８で述べた触媒装置４４の温度ＴＣＴを求める処理について説明すると、この実施例では温度センサを用いることなく、演算による推定で触媒装置４４の温度を求めるようにした。

以下それについて説明すると、図８はその作業を示すサブ・ルーチン・フロー・チャートである。尚、図示のプログラムも所定時間間隔Δｔ（即ち、図２プログラム起動周期の１０ｍｓｅｃ）ごとに起動される。

先ず、Ｓ４００において比熱Ｃｐ〔kcal／℃・kg〕、熱伝達率ｈ〔kcal/m^２・℃・時間〕、排気系温度ＴＥＸ〔℃〕などを、運転状態、より具体的には機関回転数ＮＥ、負荷（アクセル開度ＡＰあるいは要求トルクＰＭＣＭＤ）、目標空燃比ＫＣＭＤに基づいてマップ検索あるいはテーブル検索する。同時に、予め記憶してある触媒装置４４の質量ｍ〔kg〕および断面積Ａ〔m^２〕を読み出し、Ｓ４０２に進み、図９に示すように触媒温度ＴＣＴ(k) を算出する。尚、（ｋ）は、離散系のサンプル時間、具体的には今回プログラムループの時刻を意味する。

尚、排気系温度ＴＥＸは、空燃比によって機関が発生するエネルギが相違するため、目標空燃比ＫＣＭＤに応じて補正する必要がある。ただし、補正に際して、目標空燃比ＫＣＭＤに代えて広域空燃比センサ７６で検出した検出空燃比を用いても良い。

図９を参照して説明すると、この推定手法においては、熱力学の式に基づいて触媒装置４４の熱移動を求めてその温度変化を近似的に推定するようにした。即ち、同図上部に示す如く、触媒装置４４の熱量をＱＣＴとすると、ＱＣＴは、入力される排気系温度ＴＥＸと、触媒装置４４の質量ｍ〔kg〕、比熱Ｃｐおよび触媒温度ＴＣＴとから推定することができる。

Δｔ秒（図示プログラム起動周期）間の触媒装置４４に入力される熱量をΔＱＣＴとすると、ΔＱＣＴは図９の式（１）に示す如く、触媒温度の今回値ＴＣＴ(k) と前回値ＴＣＴ(k-1) の差に触媒装置４４の質量ｍと比熱Ｃｐの積を乗じたものと近似することができる。

それは、入力される排気系温度ＴＥＸと触媒温度前回値ＴＣＴ(k-1) の差に、触媒装置４４の断面積Ａ〔ｍ^２〕と熱伝達率ｈの積を乗じたものと等価である。従って、式（１）の右辺を書き直すと式（２）（３）が得られ、式（３）から式（４）が得られ、それに基づいて触媒温度の今回値ＴＣＴ(k) を求めることができる。尚、式（４）は漸化式であり、触媒温度前回値ＴＣＴ(k-1) の初期値が必要となるが、エンジン冷却水温ＴＷなどに応じて適宜設定すれば良い。

これによって、温度センサを用いずに、演算ないし推定によって触媒装置４４の温度ＴＣＴを求めることができ、構成として簡易となる。さらに、センサを用いるときは検出遅れの問題がつきまとうが、熱収支を演算するようにしたので、その不都合もない。

図４フロー・チャートの説明に戻ると、次いでＳ１０４に進み、フラグF_STMODのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグのビットが１にセットされることはエンジン１０が始動モードにあるときなので、この処理はエンジン１０が始動モードにあるか否か判断することに相当する。

Ｓ１０４で肯定されるときはＳ１０６に進み、タイマ（ダウンカウンタ）ＴＤＳＳＴに所定値＃ＴＭＤＳＳＴ（例えば２ｓｅｃ）をセットして時間計測を開始し、Ｓ１０８に進み、第２のタイマ（ダウンカウンタ）ＴＤＤＣに所定値＃ＴＭＤＣ（例えば１ｓｅｃ）をセットして時間計測を開始し、Ｓ１１０に進み、前記したフラグF_CIOKのビットを０にリセットし、Ｓ１１２に進み、フラグF_HCCIのビットを０にリセットする。

このフラグF_HCCIのビットを０にリセットすることはＳＩ運転からＨＣＣＩ運転への切り替えが許可されないことを、１にセットすることは許可されたことを意味する。アイドル運転状態と同様、エンジン始動時は燃焼が安定しないことから、切り替えを許可しないようにした。

他方、Ｓ１０４で否定されるときはＳ１１４に進み、タイマＴＤＳＳＴの値が零に達したか否か判断する。Ｓ１１４で否定されるときはＳ１０８に進むと共に、肯定されるときはＳ１１６に進み、フラグF_DSAFCNDのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグは、図示しない別の処理において広域空燃比センサ７６から検出される空燃比が目標空燃比ＫＣＭＤに（完全にあるいはほぼ）一致しているとき、そのビットが１にセットされることから、この処理は検出空燃比が目標空燃比に一致しているか、換言すれば空燃比制御が正常に行われているか否か判断することに相当する。

Ｓ１１６で否定されるときは空燃比が十分に制御されていないと判断されることからＳ１０８に進むと共に、肯定されるときはＳ１１８に進み、フラグF_ICEGRJUDのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグは、図示しない別の処理において、スロットルバルブ１６が氷結などで固着するなどし、スロットルバルブ１６の検出開度とスロットルアクチュエータ５２の通電（あるいはそれに装着されるロータリエンコーダ７０の出力）から求められる目標開度との誤差が所定値以上のとき、そのビットが１にセットされることから、この処理はスロットル開度制御が異常か、換言すればＤＢＷ機構５６の動作が正常か否か判定することに相当する。

Ｓ１１８で肯定されるときはＤＢＷ機構５６が正常ではないと判断されることからＳ１０８に進むと共に、否定されるときはＳ１２０に進み、フラグF_KEGROKのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグは、図示しない別の処理において算出されるＥＧＲ率（排気還流率）ＫＥＧＲと目標ＥＧＲ率との偏差が所定値以下と判断されるとき、そのビットが１にセットされることから、この処理はＥＧＲを実現する排気バルブ（電磁弁）３６の動作が正常か否か判定することに相当する。

これについて説明すると、先に述べたように、ＨＣＣＩ運転には燃焼室２４のガス温度が１０００Ｋ程度必要なことから、排気行程において排気バルブ３６を閉じて排気の一部を排気系に排出せず、燃焼室２４に残留させる内部ＥＧＲを実行するが、この実施例においては、ＥＧＲ率ＫＥＧＲを以下のように算出する。
ＫＥＧＲ＝Ｇａｉｒ新気／Ｇａｉｒ充填
上記で、Ｇａｉｒ新気はエアフローメータ６２から検出される、エアクリーナ１２から吸入される空気量を意味する。

またＧａｉｒ充填は、基本燃料噴射量に対応する空気量を意味する。即ち、基本燃料噴射量は、エンジン回転数ＮＥと吸気管内絶対圧ＰＢＡとから算出されるため、Ｇａｉｒ充填もエンジン回転数ＮＥと吸気管内絶対圧ＰＢＡとから算出することとし、その算出値をＧａｉｒ充填とする。

即ち、現在の運転状態から要求される基本燃料噴射量に対応する（換言すれば必要とされる）空気量を算出し、それに占める新気の割合を算出することで、ＥＧＲ率を逆算することができる。上記した別の処理においては、上記のように算出されるＥＧＲ率ＫＥＧＲと目標ＥＧＲ率の偏差が所定値以下と判断されるとき、換言すればＥＧＲを実現する排気バルブ（電磁弁）３６の動作が正常と判定されるとき、別の処理においてそのビットが１にセットされる。

Ｓ１２０で否定されるときはＥＧＲを実現する排気バルブ３６の動作が正常ではないと判断されることからＳ１０８に進むと共に、肯定されるときはＳ１２２に進み、フラグF_DBWOKのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグは、Ｓ１１８の処理に類似するが、図示しない別の処理においてスロットルアクチュエータ５２の動作が異常、より正確にはスロットルアクチュエータ５２への通電指令値から算出される駆動量とロータリエンコーダ７０から算出されるスロットルアクチュエータ５２の駆動量（回転量）との差がある値以下と判断されるとき、そのビットが１にセットされることから、この処理もスロットルアクチュエータ５２、即ち、ＤＢＷ機構５６が正常か否か判定することに相当する。

Ｓ１２２で否定されるときはＤＢＷ機構５６が正常ではないと判断されることからＳ１０８に進むと共に、肯定されるときはＳ１２４に進み、フラグF_VNTOKのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグは、図示しない別の処理においてターボチャージャ５０のタービン５０ａの付近に配置される可変ノズルへの指令値とそれに装着される可変ノズル位置センサ８０の検出値との差が所定値以下と判断されるとき、そのビットが１にセットされることから、この処理はターボチャージャ５０、より具体的にはそのタービン５０ａの付近に配置される可変ノズルの動作が正常か否か判定することに相当する。

Ｓ１２４で否定されるときはターボチャージャ５０のタービン５０ａの付近に配置される可変ノズルの動作が正常ではないと判断されることからＳ１０８に進むと共に、肯定されるときはＳ１２６に進み、前記したフラグF_TCTCIOKのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグのビットが１にセットされることは触媒装置４４が活性状態にあると判定されることを意味するので、ここでの判断は触媒装置４４が活性状態にあるか否か判断することに相当する。

Ｓ１２６で否定されるときは触媒装置４４が活性状態にないと判断されることからＳ１０８に進むと共に、肯定されるときはＳ１２８に進み、前記したタイマＴＤＤＣの値が零に達したか否か判断する。

Ｓ１２８で否定されるときはＳ１１０に進むと共に、肯定されるときはＳ１３０に進み、前記したフラグF_CIAREAOKのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグのビットが１にセットされることはＨＣＣＩ運転が可能な領域と判断されたことを意味するので、ここでの判断はＨＣＣＩ運転が可能な領域と判断することに相当する。

Ｓ１３０で否定されるときはＳ１１０に進むと共に、肯定されるときはＳ１３２に進み、フラグF_CISTABLE（のビット）を決定する。

図１０は、その処理を示すサブ・ルーチン・フロー・チャートである。

以下説明すると、Ｓ５００においてエンジン回転数ＮＥの変化量ＤＮＥＤＳを算出する。これは、エンジン回転数ＮＥの前回値（図２の前回プログラムループ時の値）と今回値（図２の今回プログラムループ時の値）の差分を求めることで算出する。尚、変化量は増加（変化）方向にあるときは正の符号を、減少（変化）方向にあるときは負の符号を付す。

次いでＳ５０２に進み、同様に、要求トルクＰＭＣＭＤの変化量ＤＰＭＥＣＩを算出する。これも、要求トルクＰＭＣＭＤの前回値と今回値の差分を求めることで算出する。要求トルクの変化量も、増加（変化）方向にあるときは正の符号を、減少（変化）方向にあるときは負の符号を付す。

次いでＳ５０４に進み、前記したフラグF_CIOKのビットが１にセットされているか否か判断し、否定されるときはＨＣＣＩ運転で燃焼不可能と判断されていることからＳ５０６に進み、フラグF_CISTABLEのビットを０にリセットする。

このフラグのビットを０にリセットすることは、ＨＣＣＩ運転パラメータが安定ではないと判定されることを、１にセットすることは、それが安定と判定されることを意味する。図１０の処理は、具体的には、要求トルクＰＭＣＭＤが変化したか否か判別する作業である。

Ｓ５０４で肯定されるときはＳ５０８に進み、フラグF_APOPENのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグは図示しない別の処理においてアクセル開度ＡＰが所定値（例えば０度付近）以上であるとき、そのビットが１にセットされることから、この判断はアクセルペダル５４が踏み込まれているか否か判断することに相当する。

Ｓ５０８で否定されるときは要求トルク変化を意味しないことからＳ５０６に進むと共に、肯定されるときはＳ５１０に進み、フラグF_IXRFLRNのビットが１にセットされているか否か判断する。このフラグは図示しない別の処理においてアイドル時の要求トルクの学習値が算出されているとき、そのビットが１にセットされる。

Ｓ５１０で否定されるときは学習値が算出されていないことからＳ５０６に進むと共に、肯定されるときはＳ５１２に進み、Ｓ５０２で算出された値が要求トルクの増加方向の変化量ＤＰＭＥＣＩであれば、算出された要求トルクの変化量ＤＰＭＥＣＩを第１の所定値＃ＤＰＭＥＣＩＨ（正値）と比較し、算出された要求トルクの変化量ＤＰＭＥＣＩが第１の所定値以下か否か判断する。

Ｓ５１２で否定されるときはＳ５０６に進むと共に、肯定されるときはＳ５１４に進む。尚、Ｓ５０２で要求トルクの増加方向の変化量ＤＰＭＥＣＩが算出されていないときも同様である。

Ｓ５１４においては、Ｓ５０２で算出された値が要求トルクの減少方向の変化量ＤＰＭＥＣＩであれば、算出された要求トルクの変化量ＤＰＭＥＣＩを第２の所定値＃ＤＰＭＥＣＩＬ（負値）と比較し、算出された要求トルクの変化量ＤＰＭＥＣＩが第２の所定値以上か否か（絶対値でいえば未満か否か）判断する。

Ｓ５１４で否定されるときはＳ５０６に進むと共に、肯定されるときはＳ５１６に進む。尚、Ｓ５０２で要求トルクの減少方向の変化量ＤＰＭＥＣＩが算出されていないときも同様である。

尚、第１の所定値＃ＤＰＭＥＣＩＨ（正値）と第２の所定値＃ＤＰＭＥＣＩＬ(負値)は、絶対値において＃ＤＰＭＥＣＩＨ＞＃ＤＰＭＥＣＩＬに設定、即ち、相違するように設定される。

これは、燃焼室２４のガス温度は、減少（降温）方向への変化が増加（昇温）方向のそれに比して緩慢なため、要求トルクＰＭＣＭＤの変化量が絶対値としては同一であっても、減少方向への変化であればガス温度も追従することも可能である。従って、要求トルクの変化方向によって所定値を相違させることで、ＨＣＣＩ運転への切り替えを禁止しないことも生じ得、それによって過早着火や失火を回避しつつ、ＨＣＣＩ運転を行ってＮＯｘの低減、熱効率あるいは燃費性能の向上を図ることができるからである。

後述する如く、Ｓ５０６に進んでフラグF_CISTABLEのビットを０にリセットすることは、ＨＣＣＩ運転が禁止されることになるので、Ｓ５１２、Ｓ５１４の処理は、換言すれば、算出された要求トルクの変化量が第１あるいは第２の所定値を超えると判定されるとき、ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転への切り替えを禁止することは意味する。

次いでＳ５１６に進み、Ｓ５００で算出された値がエンジン回転数ＮＥの増加方向の変化量ＤＮＥＤＳであれば、算出された変化量ＤＮＥＤＳを第１の所定値＃ＤＮＥＣＩＨ（正値）と比較し、算出された変化量ＤＮＥＤＳが第１の所定値以下か否か判断する。

Ｓ５１６で否定されるときはＳ５０６に進むと共に、肯定されるときはＳ５１８に進む。尚、Ｓ５００でエンジン回転数の増加方向の変化量ＤＮＥＤＳが算出されていないときも同様である。

Ｓ５１８においては、Ｓ５００で算出された値がエンジン回転数の減少方向の変化量ＤＮＥＤＳであれば、算出された変化量ＤＮＥＤＳを第２の所定値＃ＤＮＥＣＩＬ（負値）と比較し、算出された変化量ＤＮＥＤＳが第２の所定値以上か否か（絶対値でいえば未満か否か）判断する。

Ｓ５１８で否定されるときはＳ５０６に進むと共に、肯定されるときはＳ５２０に進み、フラグF_CISTABLEのビットを１にセットする。尚、Ｓ５００でエンジン回転数の減少方向の変化量ＤＮＥＤＳが算出されていないときも同様である。

尚、第１の所定値＃ＤＮＥＣＩＨ（正値）と第２の所定値＃ＤＮＥＣＩＬ(負値)も、絶対値において＃ＤＮＥＣＩＨ＞＃ＤＮＥＣＩＬに設定、即ち、相違するように設定される。これは、要求トルクについて述べたと同様の理由からである。

図４の説明に戻ると、次いでＳ１３４に進み、フラグF_CISTABLEのビットが１にセットされているか否か判断し、肯定されるときはＳ１３６に進み、フラグF_CIOKのビットを１にセットし、Ｓ１３８に進み、フラグF_HCCIのビットを１にセットし、ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転への切り替えを許可する。

他方、Ｓ１３４で否定されるときはＳ１１０に進み、フラグF_CIOKのビットを０にリセットし、Ｓ１１２に進み、フラグF_HCCIのビットを０にリセットし、ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転への切り替えを禁止する。

図２のＳ１２の処理においてはフラグF_HCCIのビットが０にリセットされるときはＳＩ運転のモードに決定すると共に、１にセットされるときはＨＣＣＩ運転のモードに決定する（換言すればＳＩ運転からＨＣＣＩ運転に切り替える）。尚、決定された運転モードに応じ、ＥＣＵ３０は吸気バルブ２２と排気バルブ３６のバルブタイミングを、図３に示す特性に従って制御する。

この実施例においては上記の如く、燃焼室２４に点火手段（点火プラグ３２など）を備え、所定の運転領域で前記燃焼室に供給される混合気を圧縮着火燃焼させる圧縮着火（ＨＣＣＩ）運転を行うと共に、前記所定の運転領域以外の運転領域で前記点火手段を介して前記混合気を火花点火燃焼させる火花点火（ＳＩ）運転を行う圧縮着火内燃機関（エンジン）１０の制御装置において、前記内燃機関の要求トルクＰＭＣＭＤが、前記内燃機関の冷却水温と機関回転数に応じて設定された所定範囲内にあるか否か判定する要求トルク範囲判定手段（ＥＣＵ３０，Ｓ１０，Ｓ１００，Ｓ２００からＳ２１４）、および前記要求トルクが前記所定範囲内にあると判定されるとき、前記火花点火運転から前記圧縮着火運転への切り替えを許可する切り替え許可手段（ＥＣＵ３０，Ｓ１２，Ｓ１００，Ｓ２１６，Ｓ１３０，Ｓ１３８）とを備える如く構成した。これにより、機関回転数からＴＤＣ間隔において最適であると共に、冷却水温が低く、壁温エンジン冷却水温ＴＷが低く、壁温が低い領域などのＨＣＣＩ運転が可能な領域を規定することができ、よってその活用範囲を拡大することができる。

また、所定範囲がさらに前記内燃機関（エンジン）１０に接続される（自動）変速機５８の変速比ＮＧＥＡＲに応じて設定される如く構成したので、減速比が大きい（即ち、エンジン回転数ＮＥや負荷の変化速度が大きい）ときは所定範囲を狭く設定することで、火花点火運転と圧縮着火運転の切り替えビジーによるドライバビリティの悪化やエミッションの悪化を防止すると共に、減速比が小さい（エンジン回転数ＮＥや負荷の変化速度が小さい）ときは所定範囲を最大限まで拡大することで、燃費を向上させることができ、よってドライバビリティ、エミッション、および燃費を高い次元でバランスさせることができる。

尚、上記において、ＨＣＣＩ運転において内部ＥＧＲを実行するようにしたが、内部ＥＧＲと共に、ＥＧＲ管４６を経由して排気の一部を吸気系に還流させる外部ＥＧＲを実行しても良い。

また、図３に示す吸気バルブ２２と排気バルブ３６のバルブタイミング特性は例示であり、これに限定されるものではない。さらに、吸気バルブ２２と排気バルブ３６を電磁弁から構成してバルブタイミングを可変に制御したが、その他の機構を用いて可変に制御しても良い。

また、触媒装置４４の温度を演算によって推定したが、図１に想像線で示す如く、触媒装置４４の付近に温度センサ１００を設け、触媒装置４４の温度を直接測定しても良い。

また、この発明をエンジン１０として燃料を吸気バルブ２２の前の吸気ポートに噴射する構成を例にとって説明したが、この発明は、燃料を燃焼室２４に直接噴射する筒内噴射エンジンにも妥当する。

この発明の第１実施例に係る圧縮着火内燃機関の制御装置を全体的に示す概略図である。図１に示す装置の動作を説明するフロー・チャートである。図１に示す装置の可変バルブ機構によって切り換えられる２つのバルブタイミング特性を示すグラフである。図２のＨＣＣＩ運転への切り替え許可判断処理のサブ・ルーチン・フロー・チャートである。図４のＨＣＣＩ運転可能領域判断処理のサブ・ルーチン・フロー・チャートである。図５で使用される要求トルクの上限値のマップ特性を示す説明図である。図４の触媒装置活性状態判定処理のサブ・ルーチン・フロー・チャートである。図７で使用される触媒装置の温度の推定処理のサブ・ルーチン・フロー・チャートである。図８の触媒装置の温度の推定処理を説明する説明図である。図４の圧縮着火運転パラメータの安定判別処理のサブ・ルーチン・フロー・チャートである。

符号の説明

１０圧縮着火内燃機関（エンジン）、２２吸気バルブ、２６インジェクタ、３０ＥＣＵ（電子制御ユニット）、３２点火プラグ（点火手段）、３６排気バルブ、３８可変バルブ機構、４４触媒装置、５０ターボチャージャ、５６ＤＢＷ機構、６０クランク角センサ、６２エアフローメータ、７２水温センサ、７４アクセル開度センサ、１００温度センサ

Claims

燃焼室に点火手段を備え、所定の運転領域で前記燃焼室に供給される混合気を圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転を行うと共に、前記所定の運転領域以外の運転領域で前記点火手段を介して前記混合気を火花点火燃焼させる火花点火運転を行う圧縮着火内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の要求トルクが、前記内燃機関の冷却水温と機関回転数に応じて設定された所定範囲内にあるか否か判定する要求トルク範囲判定手段、および前記要求トルクが前記所定範囲内にあると判定されるとき、前記火花点火運転から前記圧縮着火運転への切り替えを許可する切り替え許可手段とを備えたことを特徴とする圧縮着火内燃機関の制御装置。
前記所定範囲が、さらに前記内燃機関に接続される変速機の変速比に応じて設定されることを特徴とする請求項１記載の圧縮着火内燃機関の制御装置。