JP2009235938A - 筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷態始動時において燃焼安定性、燃費及び排気浄化性能の向上を図りつつ排気浄化触媒装置の早期活性化を実現可能な筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の始動時において、内燃機関が冷機状態にあり且つ排気浄化触媒装置が活性状態にないときには(S12, S14)、先ず圧縮行程噴射モードを選択し空燃比をリッチ空燃比に設定して燃料噴射を開始し(S32)、その後、内燃機関の始動開始から所定期間が経過すると(S16)、圧縮行程噴射モードを維持継続したまま空燃比を理論空燃比よりもややリーン空燃比であるスライトリーン空燃比に設定して燃料噴射を行う(S44)。
【選択図】図２

Description

本発明は、筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置に係り、詳しくは、冷態始動時の燃焼制御技術に関する。

近年、燃費と出力との両立を図るために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型火花点火式内燃機関が実用化されている。
このような筒内噴射型内燃機関においても、冷態始動時には、機関回転速度を速やかに上昇させるべく、一般に吸気行程で燃料を噴射して燃焼室内に均一燃焼を生起させるようにしており、これにより安定した燃焼を実現して機関回転速度の上昇促進を図ることが可能である。

しかしながら、筒内噴射型内燃機関で吸気行程噴射を行う場合でも、吸気管噴射型内燃機関と同様、冷態始動時には、燃焼温度が低く排気温度も低いために燃料成分である炭化水素（ＨＣ）の酸化反応が十分に促進されず、当該ＨＣや一酸化炭素（ＣＯ）が多く発生するという問題がある。
また、内燃機関の排気通路には一般にＨＣやＣＯの酸化反応を促進させるための排気浄化触媒装置が介装されているが、上記冷態始動時には、当該排気浄化触媒装置も不活性状態にあり、排気浄化性能、特にＨＣ、ＣＯ等の浄化性能に劣るという問題がある。

そこで、特に筒内噴射型内燃機関では、冷態始動の初期において、例えば、空燃比が理論空燃比近傍となるようにしつつ圧縮行程で燃料噴射を行うようにして点火プラグ近傍をリッチ空燃比雰囲気にするとともに燃焼室の周辺部分をリーン空燃比雰囲気とし、燃費の向上を図りつつ、活性したＨＣやＣＯと余剰酸素とを排気通路内で反応させることでＨＣやＣＯの低減を図り、併せてその反応熱により排気浄化触媒装置の活性化を図るようにしている（特許文献１等参照）。

そして、その後、機関回転速度がある程度まで上昇すると、安定した燃焼を確保しつつさらに機関回転速度を例えばアイドル回転速度まで上昇させるべく、上記吸気行程での燃料噴射を行うようにしている。
ところで、吸気行程噴射により機関回転速度が例えばアイドル回転速度まで達しても未だ排気浄化触媒装置が活性状態にない場合があり、この場合には吸気行程での燃料噴射を継続することになると考えられるが、このように吸気行程噴射を継続すると、排気浄化触媒装置の昇温は可能であるものの、上述のように吸気行程噴射は圧縮行程噴射ほど燃費が良くないことから、筒内噴射型内燃機関における吸気行程噴射の多用は好ましいことではない。

そこで、筒内噴射型内燃機関において、冷態始動時において機関回転速度が例えばアイドル回転速度まで達して安定した後は、圧縮行程において空燃比をややリーン空燃比とするスライトリーン空燃比運転（圧縮スライトリーン運転）を行うようにし、これにより、点火プラグ近傍を比較的リッチ空燃比雰囲気にするとともに燃焼室の周辺部分をリーン空燃比雰囲気とし、燃費の向上を図りつつ、活性したＨＣやＣＯと余剰酸素との排気通路内での反応を加速させ、排気浄化触媒装置の早期活性化を図ることが考えられている。
特開２００５−２０１１８６号公報

ところで、上記の如く、冷態始動の初期において圧縮行程で燃料噴射を行った後に一旦吸気行程で燃料噴射を行い、その後圧縮スライトリーン運転に移行するようにすると、圧縮行程噴射から吸気行程噴射に燃料噴射時期を切り換えた後に再び吸気行程噴射から圧縮行程噴射に燃料噴射時期を切り換えなければならず、燃料噴射制御が煩雑になるという問題がある。

また、燃料噴射時期の切り換えに伴い燃焼変動等も生じるため、却って燃焼安定性に欠けるという懸念もある。
さらに、上記の如く吸気行程噴射は圧縮行程噴射ほど燃費が良くないことから、燃費や排気浄化性能の向上を阻害する要因にもなっている。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、冷態始動時において燃焼安定性、燃費及び排気浄化性能の向上を図りつつ排気浄化触媒装置の早期活性化を実現可能な筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置は、燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁の燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御手段とを備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置において、内燃機関の運転状態に応じて空燃比を設定する空燃比設定手段と、内燃機関が所定の冷機状態にあることを判定する冷態判定手段と、排気中の有害物質を浄化する排気浄化触媒装置の活性状態を判定する触媒活性判定手段とを備え、内燃機関の始動時、前記冷態判定手段により内燃機関が前記所定の冷機状態にあることが判定され且つ前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒装置が活性状態にないと判定されたときには、前記空燃比設定手段により空燃比をリッチ空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行い、内燃機関の始動開始から所定期間が経過すると、前記空燃比設定手段により空燃比を理論空燃比近傍のリーン空燃比であるスライトリーン空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が少なくとも圧縮行程で燃料噴射を行うよう構成されていることを特徴とする。

請求項２の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置では、請求項１において、さらに、機関回転速度を検出する機関回転速度検出手段を備え、内燃機関の始動時、前記冷態判定手段により内燃機関が前記所定の冷機状態にあることが判定され且つ前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒装置が活性状態にないと判定されたときには、前記空燃比設定手段により空燃比をリッチ空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行い、内燃機関の始動開始後、前記機関回転速度検出手段により検出される機関回転速度が所定回転速度に達すると、前記空燃比設定手段により空燃比を理論空燃比近傍のリッチ空燃比であるスライトリッチ空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行い、内燃機関の始動開始から前記所定期間が経過すると、前記空燃比設定手段により空燃比を前記スライトリーン空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行うよう構成されていることを特徴とする。

請求項３の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置では、請求項１において、さらに、機関回転速度を検出する機関回転速度検出手段を備え、内燃機関の始動時、前記冷態判定手段により内燃機関が前記所定の冷機状態にあることが判定され且つ前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒装置が活性状態にないと判定されたときには、前記空燃比設定手段により空燃比をリッチ空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行い、内燃機関の始動開始後、前記機関回転速度検出手段により検出される機関回転速度が所定回転速度に達すると、前記空燃比設定手段により空燃比を理論空燃比近傍のリッチ空燃比であるスライトリッチ空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行い、内燃機関の始動開始から前記所定期間が経過すると、前記空燃比設定手段により空燃比を前記スライトリーン空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が吸気行程と圧縮行程の両方で燃料噴射を行うよう構成されていることを特徴とする。

請求項４の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置では、請求項２または３において、さらに、内燃機関の運転状態に応じて燃料噴射時期を設定する燃料噴射時期設定手段を備え、内燃機関の始動時、前記冷態判定手段により内燃機関が前記所定の冷機状態にあることが判定され且つ前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒装置が活性状態にないと判定されたときには、前記燃料噴射制御手段は、さらに前記燃料噴射時期設定手段により燃料噴射時期を基準燃料噴射時期よりもやや進角側に設定して燃料噴射を行い、内燃機関の始動開始後、前記機関回転速度検出手段により検出される機関回転速度が所定回転速度に達すると、前記燃料噴射制御手段は、さらに前記燃料噴射時期設定手段により燃料噴射時期を基準燃料噴射時期よりも進角側に設定して燃料噴射を行い、内燃機関の始動開始から前記所定期間が経過すると、前記燃料噴射制御手段は、さらに前記燃料噴射時期設定手段により燃料噴射時期を基準燃料噴射時期よりも遅角側に設定して燃料噴射を行うよう構成されていることを特徴とする。

請求項５の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置では、請求項２乃至４のいずれかにおいて、さらに、内燃機関の運転状態に応じて点火時期を設定する点火時期設定手段を備え、内燃機関の始動時、前記冷態判定手段により内燃機関が前記所定の冷機状態にあることが判定され且つ前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒装置が活性状態にないと判定されたときには、前記点火時期制御手段は、前記点火時期設定手段により点火時期を圧縮上死点直前に設定して点火を行い、内燃機関の始動開始後、前記機関回転速度検出手段により検出される機関回転速度が所定回転速度に達すると、前記点火時期制御手段は、前記点火時期設定手段により点火時期を基準点火時期よりもやや進角側に設定して点火を行い、内燃機関の始動開始から前記所定期間が経過すると、前記点火時期制御手段は、前記点火時期設定手段により点火時期を圧縮上死点後に設定して点火を行うよう構成されていることを特徴とする。

請求項１の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置によれば、冷態始動時においては先ず空燃比をリッチ空燃比として圧縮行程噴射を行うことで（圧縮始動運転）、点火プラグ近傍をリッチ空燃比雰囲気にするとともに燃焼室の周辺部分をリーン空燃比雰囲気とし、燃費の向上を図りつつ活性したＨＣやＣＯと余剰酸素とを排気通路内で反応させてＨＣやＣＯの低減を図り排気浄化性能の向上を図りながら内燃機関を始動するようにできる。その後、内燃機関の始動開始から所定期間が経過して機関回転速度が例えばアイドル回転速度に達して安定したら、空燃比をスライトリーン空燃比に設定しつつ少なくとも圧縮行程噴射を実施することで（スライトリーン運転）、圧縮行程噴射から吸気行程噴射に完全に切り換えて運転を実施することによる煩雑さや燃焼変動等もなく、燃焼安定性、燃費及び排気浄化性能の向上を図りながら、活性したＨＣやＣＯと余剰酸素との排気通路内での反応を加速させるようにでき、その反応熱により排気浄化触媒装置の早期活性化を図ることができる。

請求項２の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置によれば、圧縮始動運転からスライトリーン運転が開始されるまでの機関回転速度が所定回転速度に達した後例えばアイドル回転速度に達して安定するまでの間は、空燃比をスライトリッチ空燃比に設定しつつ圧縮行程噴射を継続実施することになり（圧縮始動直後運転）、圧縮行程噴射から吸気行程噴射に切り換えて運転を実施することによる燃焼変動等もなく、燃費及び排気浄化性能の向上を図りながら、圧縮始動運転からスライトリーン運転までを圧縮行程噴射のまま滑らかに繋ぐようにできる。

請求項３の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置によれば、スライトリーン運転において吸気行程と圧縮行程の両方で燃料噴射を行うことにより、空燃比の過リッチを緩和することができるので、排ガス性能の向上に寄与することができる。さらに、圧縮行程噴射から完全に吸気行程噴射に切り換えることによる燃焼変動等も抑制される。
請求項４、５の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置によれば、圧縮始動運転、圧縮始動直後運転及びスライトリーン運転のそれぞれにおいて空燃比、燃料噴射時期及び点火時期を適正なものにして燃焼制御を適切に行い、燃焼安定性、燃費及び排気浄化性能の向上を図りながら排気浄化触媒装置の早期活性化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置の概略構成図が示されており、以下、当該燃焼制御装置の構成を説明する。
内燃機関であるエンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。

詳しくは、当該筒内噴射型のエンジン１は、上記燃料噴射モードの切換えと空燃比制御とにより、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比（リッチＡ／Ｆ）での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比（リーンＡ／Ｆ）での運転（リーン空燃比運転）を実現可能である。より詳しくは、エンジン１は、圧縮行程噴射モードにおいて、圧縮リッチ空燃比運転や通常の圧縮リーン空燃比運転の他、特に空燃比をややリーン空燃比（スライトリーン空燃比）とするスライトリーン運転（以下、Ｓ／Ｌ運転）を実施可能に構成されている。

同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。また、点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。
燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンク（図示せず）が接続されており、燃料パイプ７には高圧燃料ポンプ７ａが介装されている。高圧燃料ポンプ７ａは、例えばエンジン１のカムシャフトにより駆動可能に構成されており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。

シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に延びて吸気ポート９が形成されており、各吸気ポート９と連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。なお、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び吸入空気量を検出する吸気量センサ１６が設けられている。
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に延びて排気ポート１１が形成されており、各排気ポート１１と連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。

なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構造の詳細についてはここでは説明を省略する。
排気マニホールド１２の他端には排気管（排気通路）２０が接続されており、当該排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒３０が介装されている。
ＥＣＵ６０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、当該ＥＣＵ６０により、エンジン１を含めた燃焼制御装置の総合的な制御が行われる。

ＥＣＵ６０の入力側には、上述した吸気量センサ１６の他、クランク角を検出するクランク角センサ６２、エンジン１の冷却水温度Ｔwを検出する水温センサ６４、三元触媒３０に流入する排気の空燃比（排気空燃比）を検出する空燃比センサ６６、燃料パイプ７内の燃料の圧力、即ち燃圧Ｐfを検出する燃圧センサ６８等の各種センサ類や、電装系の電源をＯＮにするとともにエンジン１を始動すべくセルモータ（図示せず）のクランキングを行うイグニションキースイッチ７０が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。なお、クランク角センサ６２のクランク角情報からはエンジン回転速度Ｎeが算出される（機関回転速度検出手段）。

一方、ＥＣＵ６０の出力側には、上述の燃料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４等の各種出力デバイスが接続されており、ＥＣＵ６０では、各種センサ類からの検出情報、即ちエンジン１の運転状態に基づき、燃料噴射モードが吸気行程噴射モードと圧縮行程噴射モードのいずれか一方或いは両方に設定されるとともに（燃料噴射モード切換手段）、目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され（空燃比設定手段）、さらに当該目標Ａ／Ｆや各種センサ類からの検出情報に基づき燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度が演算され（燃料噴射時期設定手段、点火時期設定手段）、各種出力デバイスにはこれら燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度の各信号がそれぞれ出力される（燃料噴射制御手段、点火時期制御手段）。詳しくは、燃料噴射時期、点火時期については、通常運転時における基準値が予め基準燃料噴射時期、基準点火時期としてマップ等により設定されており、各種センサ類からの検出情報に基づいて、これら基準燃料噴射時期、基準点火時期を補正するように設定される。これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施され、スロットル弁１４が適正な開度とされる。

以下、このように構成された本発明に係る燃焼制御装置の作用について説明する。
図２を参照すると、本発明に係る始動制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同図に沿って説明する。
イグニションキースイッチ７０がＯＮにされると、ステップＳ１０では、水温センサ６４からの情報に基づき、エンジン１の冷却水温度Ｔwを検出する。

そして、ステップＳ１２において、冷却水温度Ｔwが所定温度Ｔ1（例えば、１０℃）と所定温度Ｔ2（例えば、４０℃）との間にあるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合にはエンジン１が所定の冷機状態にあり、冷態始動時と判定でき、ステップＳ１４に進む（冷態判定手段）。
ステップＳ１４では、上記検出した冷却水温度Ｔwが前回イグニションキースイッチ７０をＯＦＦとしたときの冷却水温度Ｔw0よりもΔＴ0（例えば、３０℃）以上低くなっているか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、エンジン１を停止してからある程度時間が経過しており、三元触媒３０が不活性状態にあるものと判定でき（触媒活性判定手段）、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、イグニションキースイッチ７０をＯＮにしてエンジン１の始動を開始してから所定時間（所定期間）ｔ1が経過しているか否かを判別する。この所定時間ｔ1は後述する三元触媒３０の昇温のためのスライトリーン運転を開始するまでのディレイ時間であり、エンジン回転速度Ｎeが例えばアイドル回転速度Niに達して安定するまでの時間として予め実験等により設定されている。判別結果が偽（Ｎｏ）でエンジン１の始動開始から未だ所定時間ｔ1が経過していないと判定された場合には、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８では、現在イグニションキースイッチ７０をＯＮにしてセルモータのクランキングを実施中（完爆前の状態）であるか否かを判別し、判別結果が偽（Ｎｏ）でクランキング中でない場合にはステップＳ２８に進む一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合にはステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、高圧燃料ポンプ７ａが作動して燃料を吐出しているか否かを判別する。具体的には、燃圧センサ６８からの情報に基づき燃圧Ｐfが上昇したことをもって吐出ありと判定する。そして、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ２２において、燃圧センサ６８により検出された燃圧Ｐfが所定圧Ｐ1より大であるか否かを判別する。

ステップＳ２２の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、燃圧Ｐfが十分高圧であり、圧縮行程において燃料噴射弁６から燃料を噴射可能と判断でき、即ちエンジン１の始動を圧縮行程で開始することが可能と判断できる。従って、この場合には、ステップＳ２４に進み、圧縮行程噴射モードでの始動が可能であることを圧縮始動フラグをＯＮにして記憶する。一方、ステップＳ２０やステップＳ２２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、燃圧Ｐfが十分ではないと判定でき、この場合には、ステップＳ２６に進み、圧縮始動フラグをＯＦＦとして記憶する。

ステップＳ２８では、エンジン回転速度Ｎeが始動判定回転速度（所定回転速度）Ｎe1よりも大であるか否かを判別する。即ち、ここでは、エンジン回転速度Ｎeがある程度まで上昇したことをもって、燃焼が完爆に至り、エンジン１が始動されたと判定するようにしており、故にエンジン回転速度Ｎeが始動判定回転速度Ｎe1よりも大であるか否かを判別するようにする。イグニションキースイッチ７０をＯＮにした直後は判別結果は偽（Ｎｏ）でエンジン回転速度Ｎeは始動判定回転速度Ｎe1以下であり、この場合にはステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、上記圧縮始動フラグがＯＮであるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ３２に進み、圧縮始動運転を実施する。具体的には、圧縮始動運転では、燃料噴射モードを圧縮行程噴射モードに設定するとともに、空燃比をリッチＡ／Ｆ（リッチ空燃比）としてエンジン１を運転する。
このように、エンジン１の始動初期において空燃比をリッチＡ／Ｆとして圧縮始動運転を行うようにすると、点火プラグ４近傍をリッチＡ／Ｆ雰囲気にするとともに燃焼室の周辺部分をリーンＡ／Ｆ雰囲気とし、燃費の向上を図りつつ、活性したＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）と余剰酸素とを排気管２０内で反応させてＨＣやＣＯの低減を図りながら、即ち排気浄化性能の向上を図りながらエンジン１を始動開始するようにできる。

詳しくは、圧縮始動運転では、燃料噴射時期については例えば基準燃料噴射時期よりもやや進角側に設定し、点火時期については例えば圧縮上死点（ＴＤＣ）の直前に設定するようにしており、これにより、空燃比のみならず燃料噴射時期及び点火時期をも適正なものとし、燃費及び排気浄化性能の向上を図ることができる。
圧縮始動運転を実施した結果、上記ステップＳ２８の判別結果が真（Ｙｅｓ）でエンジン回転速度Ｎeが始動判定回転速度Ｎe1よりも大と判定された場合には、ステップＳ３６に進む。

ステップＳ３６では、改めて圧縮始動フラグがＯＮであるか否かを判別し、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ３８に進む。
ステップＳ３８では、上記ステップＳ２８の判別により始動判定を行ってから所定時間ｔ2が経過したか否かを判別する。この所定時間ｔ2は上記スライトリーン運転を開始するまでのディレイ時間である所定時間ｔ1に応じて決定されるものであり、実際には始動判定後所定時間ｔ1が経過するまでの時間である。判別結果が偽（Ｎｏ）で未だ所定時間ｔ2が経過していないと判定された場合には、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、圧縮始動直後運転を実施する。具体的には、圧縮始動直後運転では、上記圧縮始動運転に引き続き、燃料噴射モードを継続的に圧縮行程噴射モードに設定するとともに、空燃比をややリッチＡ／Ｆ（スライトリッチ空燃比）としてエンジン１を運転する。
詳しくは、圧縮始動直後運転では、燃料噴射時期については例えば基準燃料噴射時期よりも進角側に設定し、点火時期については例えば基準点火時期よりもやや進角側に設定するようにしており、これにより、圧縮始動直後運転においても、空燃比のみならず燃料噴射時期及び点火時期をも適正なものとし、燃費及び排気浄化性能の向上を図ることができる。

このようにして圧縮始動運転や圧縮始動直後運転を実施すると、その後エンジン回転速度Ｎeが上昇してアイドル回転速度Niに達することになるが、エンジン１の始動開始から所定時間ｔ1が経過したときにはエンジン回転速度Ｎeがアイドル回転速度Niに達して安定したとみなせ、この場合には上記ステップＳ１６の判別結果は真（Ｙｅｓ）となり、ステップＳ４４に進む。

なお、上記所定時間ｔ1が経過したときには、通常はその前にエンジン回転速度Ｎeが始動判定回転速度Ｎe1よりも大となり、ステップＳ２８の判別結果が真（Ｙｅｓ）となって圧縮始動直後運転が実施されるのであるが、所定時間ｔ1が経過してもエンジン回転速度Ｎeが始動判定回転速度Ｎe1以下である場合もあり得、この場合には圧縮始動直後運転を実施することなく圧縮始動運転を実施したままにステップＳ４４に進むことになる。

ステップＳ４４では、上記Ｓ／Ｌ運転を行う。具体的には、本実施形態のＳ／Ｌ運転は、圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮Ｓ／Ｌ運転である。この圧縮Ｓ／Ｌ運転では、上記圧縮始動運転や圧縮始動直後運転に引き続き、燃料噴射モードを継続的に圧縮行程噴射モードに設定するとともに、空燃比をややリーンＡ／Ｆ（スライトリーン空燃比）としてエンジン１を運転する。

このように、圧縮Ｓ／Ｌ運転を行うようにすると、空燃比をリーンＡ／Ｆ側として燃費や排気浄化性能の向上を図りつつ、活性したＨＣやＣＯと余剰酸素との排気管２０内での反応を加速させるようにでき、その反応熱により三元触媒３０の早期活性化を図ることができる。
詳しくは、圧縮Ｓ／Ｌ運転では、燃料噴射時期については例えば基準燃料噴射時期よりも遅角側に設定し、点火時期については例えば圧縮上死点（ＴＤＣ）後に設定するようにしており、これにより、空燃比のみならず燃料噴射時期及び点火時期をも適正なものとし、燃費及び排気浄化性能の向上を図りながら三元触媒３０の早期活性化を図ることができる。

このように、本実施形態に係る始動制御によれば、エンジン１の冷態始動時には、燃圧Ｐfが十分であって燃料を圧縮行程噴射可能である場合には、圧縮始動運転或いは圧縮始動運転と圧縮始動直後運転とを実施した後、圧縮行程噴射モードを維持したまま圧縮Ｓ／Ｌ運転を行うようにしている。
従って、本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置によれば、エンジン１の冷態始動時において、燃料噴射モードを圧縮行程噴射モードのまま吸気行程噴射モードに切り換えることなく圧縮Ｓ／Ｌ運転を実施するようにし、燃費及び排気浄化性能の向上のみならず、燃料噴射モード切り換え時に生じる煩雑さや燃焼変動等を防止して燃焼安定性の向上を図りつつ三元触媒３０の早期活性化を図ることができる。

特に、圧縮始動運転を実施してエンジン回転速度Ｎeがある程度まで上昇した後、引き続き圧縮行程噴射モードを維持したままに圧縮始動運転よりもリーンＡ／Ｆ寄りの圧縮始動直後運転を実施することにより、燃費及び排気浄化性能の向上を図りながら、圧縮始動運転から圧縮Ｓ／Ｌ運転までを燃料噴射モード切り換え時に生じる燃焼変動等を防止して燃焼安定性の向上を図りつつ圧縮行程噴射モードのまま滑らかに繋ぐようにできる。

また、ここでは、圧縮始動運転では、燃料噴射時期については例えば基準燃料噴射時期よりもやや進角側に設定し、点火時期については例えば圧縮上死点（ＴＤＣ）の直前に設定するようにし、圧縮始動直後運転では、燃料噴射時期については例えば基準燃料噴射時期よりも進角側に設定し、点火時期については例えば基準点火時期よりもやや進角側に設定するようにし、圧縮Ｓ／Ｌ運転では、燃料噴射時期については例えば基準燃料噴射時期よりも遅角側に設定し、点火時期については例えば圧縮上死点（ＴＤＣ）後に設定するようにしているので、空燃比のみならず燃料噴射時期及び点火時期をも適正なものとし、燃費及び排気浄化性能の向上を図りながら三元触媒３０の早期活性化を図ることができる。

即ち、図３を参照すると、当該制御ルーチンに基づき始動制御を行った場合のエンジン１の運転モードがエンジン回転速度Ｎe、燃料噴射時期、点火時期の関係とともにタイムチャートで示されているが、燃圧Ｐfが十分であって燃料を圧縮行程噴射可能である場合には、同図に示すように、圧縮始動運転から圧縮Ｓ／Ｌ運転までを全て圧縮行程噴射モードのまま実施するようにしており、これにより燃焼安定性、燃費及び排気浄化性能の向上を図りながら三元触媒３０の早期活性化を図ることができる。

ところで、高圧燃料ポンプ７ａが燃料を吐出しておらず或いは燃圧Ｐfが不十分であるような場合、つまり上記ステップＳ３０の判別結果が偽（Ｎｏ）で圧縮始動フラグがＯＦＦの場合には、圧縮行程で燃料噴射を実施できず、この場合には、ステップＳ３４に進み、吸気始動運転を実施することになる。具体的には、吸気始動運転では、燃料噴射モードを吸気行程噴射モードに設定するとともに、空燃比をリッチＡ／Ｆとしてエンジン１を運転する。

同様に、ステップＳ３６の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合、或いは、ステップＳ３８の判別結果が真（Ｙｅｓ）で始動判定を行ってから所定時間ｔ2が経過したと判定された場合には、ステップＳ４２に進み、吸気始動直後運転を実施する。具体的には、吸気始動直後運転では、燃料噴射モードを吸気行程噴射モードに設定するとともに、空燃比をややリッチＡ／Ｆとしてエンジン１を運転する。なお、ステップＳ３８の判別結果が真（Ｙｅｓ）となる場合とは、例えばステップＳ１２やステップＳ１４の判別結果が偽（Ｎｏ）で、エンジン１が既に暖気状態であったり三元触媒３０が活性状態であったりしてステップＳ１６を実行せず、圧縮Ｓ／Ｌ運転を実施する必要がないような場合である。

以上で本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、圧縮始動運転を実施した後、圧縮Ｓ／Ｌ運転を実施する前に圧縮始動直後運転を実施するようにしているが、エンジン１によっては圧縮始動直後運転を実施しないようにし、圧縮始動運転から直接に圧縮Ｓ／Ｌ運転に移行するような構成にしてもよい。

また、上記実施形態では、図２のステップＳ４４で圧縮Ｓ／Ｌ運転を実施するようにしているが、これ以外に、エンジン１の１サイクルにつき吸気行程と圧縮行程の両方で２回燃料噴射を行うＳ／Ｌ運転とすることもできる。このように、Ｓ／Ｌ運転において吸気行程と圧縮行程の両方で燃料噴射を行う場合は、空燃比の過リッチを緩和することができるので、排ガス性能の向上に寄与することができる。さらに、圧縮行程噴射から完全に吸気行程噴射に切り換える場合に比べて、燃焼変動等を抑制できるという効果も実現できる。

車両に搭載された本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置の概略構成図である。 本発明に係る始動制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図２の制御ルーチンに基づき始動制御を行った場合のエンジンの運転モードをエンジン回転速度Ｎe、燃料噴射時期、点火時期の関係とともに示すタイムチャートである。

符号の説明

１ エンジン（筒内噴射型火花点火式内燃機関）
４ 点火プラグ
６ 燃料噴射弁
７ 燃料パイプ
７ａ 高圧燃料ポンプ
３０ 三元触媒（排気浄化触媒装置）
６０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
６２ クランク角センサ
６４ 水温センサ
６６ 空燃比センサ
６８ 燃圧センサ
７０ イグニションキースイッチ

Claims (5)

1. 燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁の燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御手段とを備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置において、
   内燃機関の運転状態に応じて空燃比を設定する空燃比設定手段と、
   内燃機関が所定の冷機状態にあることを判定する冷態判定手段と、
   排気中の有害物質を浄化する排気浄化触媒装置の活性状態を判定する触媒活性判定手段とを備え、
   内燃機関の始動時、前記冷態判定手段により内燃機関が前記所定の冷機状態にあることが判定され且つ前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒装置が活性状態にないと判定されたときには、前記空燃比設定手段により空燃比をリッチ空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行い、
   内燃機関の始動開始から所定期間が経過すると、前記空燃比設定手段により空燃比を理論空燃比近傍のリーン空燃比であるスライトリーン空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が少なくとも圧縮行程で燃料噴射を行うよう構成されていることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置。
2. さらに、機関回転速度を検出する機関回転速度検出手段を備え、
   内燃機関の始動時、前記冷態判定手段により内燃機関が前記所定の冷機状態にあることが判定され且つ前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒装置が活性状態にないと判定されたときには、前記空燃比設定手段により空燃比をリッチ空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行い、
   内燃機関の始動開始後、前記機関回転速度検出手段により検出される機関回転速度が所定回転速度に達すると、前記空燃比設定手段により空燃比を理論空燃比近傍のリッチ空燃比であるスライトリッチ空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行い、
   内燃機関の始動開始から前記所定期間が経過すると、前記空燃比設定手段により空燃比を前記スライトリーン空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行うよう構成されていることを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置。
3. さらに、機関回転速度を検出する機関回転速度検出手段を備え、
   内燃機関の始動時、前記冷態判定手段により内燃機関が前記所定の冷機状態にあることが判定され且つ前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒装置が活性状態にないと判定されたときには、前記空燃比設定手段により空燃比をリッチ空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行い、
   内燃機関の始動開始後、前記機関回転速度検出手段により検出される機関回転速度が所定回転速度に達すると、前記空燃比設定手段により空燃比を理論空燃比近傍のリッチ空燃比であるスライトリッチ空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が圧縮行程で燃料噴射を行い、
   内燃機関の始動開始から前記所定期間が経過すると、前記空燃比設定手段により空燃比を前記スライトリーン空燃比に設定するとともに前記燃料噴射制御手段が吸気行程と圧縮行程の両方で燃料噴射を行うよう構成されていることを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置。
4. さらに、内燃機関の運転状態に応じて燃料噴射時期を設定する燃料噴射時期設定手段を備え、
   内燃機関の始動時、前記冷態判定手段により内燃機関が前記所定の冷機状態にあることが判定され且つ前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒装置が活性状態にないと判定されたときには、前記燃料噴射制御手段は、さらに前記燃料噴射時期設定手段により燃料噴射時期を基準燃料噴射時期よりもやや進角側に設定して燃料噴射を行い、
   内燃機関の始動開始後、前記機関回転速度検出手段により検出される機関回転速度が所定回転速度に達すると、前記燃料噴射制御手段は、さらに前記燃料噴射時期設定手段により燃料噴射時期を基準燃料噴射時期よりも進角側に設定して燃料噴射を行い、
   内燃機関の始動開始から前記所定期間が経過すると、前記燃料噴射制御手段は、さらに前記燃料噴射時期設定手段により燃料噴射時期を基準燃料噴射時期よりも遅角側に設定して燃料噴射を行うよう構成されていることを特徴とする、請求項２または３記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置。
5. さらに、内燃機関の運転状態に応じて点火時期を設定する点火時期設定手段を備え、
   内燃機関の始動時、前記冷態判定手段により内燃機関が前記所定の冷機状態にあることが判定され且つ前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒装置が活性状態にないと判定されたときには、前記点火時期制御手段は、前記点火時期設定手段により点火時期を圧縮上死点直前に設定して点火を行い、
   内燃機関の始動開始後、前記機関回転速度検出手段により検出される機関回転速度が所定回転速度に達すると、前記点火時期制御手段は、前記点火時期設定手段により点火時期を基準点火時期よりもやや進角側に設定して点火を行い、
   内燃機関の始動開始から前記所定期間が経過すると、前記点火時期制御手段は、前記点火時期設定手段により点火時期を圧縮上死点後に設定して点火を行うよう構成されていることを特徴とする、請求項２乃至４のいずれか記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼制御装置。

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