JP2017186918A - 直噴エンジンの制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内における空気の流動を弱めることで、燃料を点火プラグ周辺に偏在させるのに好適な流動状態を形成する。
【解決手段】点火プラグ７と、筒内に燃料を直接噴射可能に設けられた燃料噴射弁６とを備える直噴エンジン１において、触媒暖機時に、燃料噴射弁６により吸気行程中の所定時期ＩＴ１に燃料を噴射する吸気行程噴射を実行し、吸気行程中の所定時期ＩＴ１は、筒内における空気の流動が吸気行程噴射により噴射された燃料の噴霧との衝突により弱められる時期とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、筒内に燃料を直接噴射する直噴火花点火エンジン（以下「直噴エンジン」という）において、排気温度を上昇させて排気浄化触媒の活性を促進させるための技術に関する。

冷機状態からのエンジンの始動に際し、排気通路に備わる排気浄化触媒を早期に活性させるため、点火時期を遅角させることにより排気温度を上昇させ、排気の有する熱により排気浄化触媒を昇温させる制御が行われている。そして、点火時期を遅角させる場合に、エンジンに対して一燃焼サイクル当たりに供給すべき燃料を吸気行程と圧縮行程とに分けて噴射し、吸気行程中に噴射された燃料を筒内における空気の流動（以下「筒内流動」という）に乗せて筒内全体に拡散させる一方、圧縮行程中に噴射された燃料を点火プラグ周辺に偏在させることが知られている。これにより、点火プラグ周辺の燃料が火種となり、遅い点火時期にあっても安定した燃焼を実現することが可能となる。

ここで、圧縮行程中の燃料噴射に際し、筒内流動が残存し、その強度が過度に保持された状態にあると、噴射された燃料の噴霧が筒内流動に乗って流され、燃料を点火プラグ周辺に良好に留めておくことが困難となる。よって、燃焼が安定せず、失火を生じるおそれがある。

特許文献１には、エンジンの始動時に成層燃焼を可能とするため、筒内における空気の流動を強める手段を設け、この手段により始動時における筒内流動の強度不足を補うことが開示されている。強化した筒内流動により圧縮行程中に噴射された燃料の前進を阻み、燃料の噴霧をピストンの冠面近傍から上方に転向させることで、点火プラグ周辺に偏在させるのである。

特開２００４−２１８６４６号公報（段落０００９）

特許文献１の技術は、筒内における空気の流動が弱い条件（具体的には、エンジンの始動時）にあっても流動の積極的な強化により燃料の成層化を促し、始動後最初に点火を迎える気筒から成層燃焼を行うことを可能とするものである。そして、特許文献１では、排気浄化触媒を活性させるための排気温度の制御は、点火後の再度の燃料供給によることとしている（段落０００７）。

本発明は、筒内における空気の流動を弱めることで、燃料を点火プラグ周辺に適切に偏在させることを容易にし、もって、冷機状態からのエンジンの始動に際し、排気温度を上昇させるための安定した燃焼を実現することを目的とする。

本発明は、一形態において、直噴エンジンの制御方法を提供する。

本発明の一形態に係る方法は、点火プラグと、筒内に燃料を直接噴射可能に設けられた燃料噴射弁とを備える直噴エンジンにおいて、触媒暖機時に、燃料噴射弁により吸気行程中の所定時期に燃料を噴射する吸気行程噴射を実行する。ここで、吸気行程中の所定時期は、筒内における空気の流動が吸気行程噴射により噴射された燃料の噴霧との衝突により弱められる時期とする。

本発明によれば、燃料の噴霧が有する運動エネルギーを利用して筒内における空気の流動を弱め、燃料を点火プラグ周辺に偏在させるのに好適な流動状態を形成することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの全体構成図である。 図２は、燃料の噴霧との衝突による効果（タンブル流動強度の低下）を示す説明図である。 図３は、吸気行程噴射の噴射時期に応じた排気微粒子数および燃焼不安定度の変化を示す説明図である。 図４は、筒内における燃料の噴霧と空気とのピストン位置に応じた流れ方向の関係を示す説明図である。 図５は、燃料噴射弁の噴霧ビーム重心線を示す説明図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る触媒暖機制御の基本的な流れを示すフローチャートである。 図７は、燃料の噴射圧力（燃料圧力）、噴射分割回数および排気微粒子数の関係を示す説明図である。 図８は、吸気行程噴射の噴射条件の変更に対する排気微粒子数および燃焼不安定度の変化を示す説明図である。 図９は、吸気行程噴射の各種噴射条件における噴射期間、微粒子要求噴射限界および安定性要求噴射限界の関係を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（エンジンの全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る直噴エンジン（火花点火直噴エンジンであり、以下「エンジン」という）１の全体構成図である。

エンジン１は、シリンダブロック１Ａおよびシリンダヘッド１Ｂによりその本体が形成され、シリンダブロック１Ａおよびシリンダヘッド１Ｂにより包囲された空間としてシリンダまたは気筒が形成される。図１は、１つの気筒のみを示すが、エンジン１は、複数の気筒を有する多気筒型の直噴エンジンであってもよい。

シリンダブロック１Ａには、ピストン２が気筒中心軸Ａｘに沿って上下に往復移動可能に挿入され、ピストン２は、コネクティングロッド３を介して図示しないクランクシャフトに連結されている。ピストン２の往復運動がコネクティングロッド３を通じてクランクシャフトに伝達され、クランクシャフトの回転運動に変換される。ここで、ピストン２の冠面２１には、キャビティ２１ａが形成されており、吸気ポート４ａを通じて筒内に吸入された空気の円滑な流れがピストン冠面２１により阻害されるのを抑制しつつ、燃料噴射弁６により噴射された燃料をこのキャビティ２１ａの壁面により案内し、点火プラグ７に向かわせる。

シリンダヘッド１Ｂには、ペントルーフ型の燃焼室Ｃｈを画定する下面が形成されている。シリンダヘッド１Ｂの下面とピストン冠面２１とにより包囲される空間として燃焼室Ｃｈが形成される。シリンダヘッド１Ｂには、燃焼室Ｃｈとエンジン外部とを連通する通路として、気筒中心軸Ａｘの一側に一対の吸気通路４が、他側に一対の排気通路５が形成されている。そして、吸気通路４のポート部（吸気ポート）４ａには、吸気弁８が配置され、排気通路５のポート部（排気ポート）５ａには、排気弁９が配置されている。エンジン外部から吸気通路４に取り込まれた空気が吸気弁８の開期間中に筒内に吸入され、燃焼後の排気が排気弁９の開期間中に排気通路５に排出される。

シリンダヘッド１Ｂには、さらに、吸気ポート４ａおよび排気ポート５ａの間で、気筒中心軸Ａｘに沿って点火プラグ７が設置され、気筒中心軸Ａｘの一側において、一対の吸気ポート４ａ、４ａの間に燃料噴射弁６が設定されている。燃料噴射弁６は、筒内に燃料を直接噴射可能に構成および配置されている。本実施形態において、燃料噴射弁６は、マルチホール型の燃料噴射弁であり、気筒中心軸Ａｘに対して斜めに交差する方向に燃料が噴射されるように、換言すれば、後に述べる噴霧ビーム重心線Ａｆと気筒中心線Ａｘとが鋭角に交差するように、気筒中心軸Ａｘの吸気ポート４ａ側に配置されている。

本実施形態において、吸気通路４には、タンブル制御弁１０が設置され、タンブル制御弁１０により吸気通路４の開口面積が実質的に狭められ、筒内における空気の流動が強化される。本実施形態では、空気の流動として、吸気ポート４ａを通じて筒内に吸入された空気が、気筒中心軸Ａｘに対して吸気ポート４ａとは反対側、換言すれば、排気ポート５ａ側の筒内空間をシリンダヘッド１Ｂの下面からピストン冠面２１に向かう方向に通過するタンブル流動が形成され、タンブル制御弁１０により、このタンブル流動が強化される。筒内流動の強化は、タンブル制御弁１０を設置することに限らず、吸気通路４の形状を変更することによっても達成することが可能である。例えば、吸気通路４をより直立に近い状態とするなどして、筒内に空気が気筒中心軸Ａｘに対してより緩やかな角度で流入するような形状とする。

排気通路５には、排気浄化用の触媒（図示せず）が介装されている。本実施形態においいて、排気浄化装置は、三元触媒であり、排気通路５に排出された燃焼後の排気は、排気浄化触媒により窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）といった有害成分が浄化された後、大気中へ放出される。

（エンジン制御の概要）
エンジン１の運転は、電子制御ユニット１０１により制御される。電子制御ユニット１０１は、「エンジン制御ユニット」を構成するものである。電子制御ユニット１０１へは、アクセルセンサ２０１、回転速度センサ２０２および冷却水温度センサ２０３の検出信号が入力されるほか、図示しないエアフローメータおよび空燃比センサ等の検出信号が入力される。アクセルセンサ２０１は、運転者によるアクセルペダルの操作量を検出する。アクセルペダルの操作量は、エンジン１に対して要求される負荷の指標となるものである。回転速度センサ２０２は、エンジン１の回転速度を検出する。回転速度センサ２０２として、クランク角センサを採用することが可能であり、クランク角センサにより出力される単位クランク角信号または基準クランク角信号を単位時間当たりの回転数（エンジン回転数）に換算することで、回転速度を検出する。冷却水温度センサ２０３は、エンジン冷却水の温度を検出する。エンジン冷却水の温度に代えて、エンジン潤滑油の温度を採用してもよい。エアフローメータは、吸気通路４の導入部に設置されてエンジン１に吸入される空気の流量（吸入空気量）を検出し、空燃比センサは、排気通路５に設置されて排気の空燃比を検出する。電子制御ユニット１０１は、エンジン１の負荷、回転速度および冷却水温度等の運転状態に応じて燃料噴射量等、各種運転制御パラメータが割り付けられたマップデータを保持する記憶ユニットを有する。そして、エンジン１の実際の運転時において、エンジン１の運転状態をもとに記憶ユニットのマップデータを参照し、燃料噴射量、燃料噴射時期および点火時期等を設定する。

（触媒暖機制御の内容）
本実施形態では、冷機状態からのエンジン１の始動に際し、排気浄化触媒を早期に活性させるため、点火プラグ７による点火時期を通常時よりも大幅に遅角させることにより排気温度を上昇させ、排気の有する熱により排気浄化触媒を昇温させる制御（以下「触媒暖機制御」という）を実行する。具体的には、通常時では、点火時期をＭＢＴ（エンジントルクが最大となる最適点火タイミング）またはその近傍に設定する一方、触媒暖機時では、点火時期を通常時の点火時期に対して遅角させ、膨張行程中（例えば、膨張行程前半、より具体的には、クランク角で圧縮上死点後１０〜３０ｄｅｇの範囲）に設定する。そして、点火時期の遅角補正に併せ、エンジン１に対して一燃焼サイクル当たりに供給すべき燃料を吸気行程と圧縮行程とに分けて噴射し、吸気行程中に噴射された燃料を筒内全体に拡散させる一方、圧縮行程中に噴射された燃料を点火プラグ７周辺に偏在させる。本実施形態では、吸気行程と排気行程とに夫々１回ずつ燃料噴射を実行することとし、吸気行程中の燃料噴射時期を吸気行程前半に、圧縮行程中の燃料噴射時期を圧縮行程後半の、噴射された燃料の噴霧が点火時期までに点火プラグ７近傍に到達し得るだけの時間が確保される時期に設定する。

触媒暖機制御は、一燃焼サイクル当たりの燃料噴射量を吸気行程と圧縮行程とに分けて噴射し、圧縮行程中に噴射された燃料を点火プラグ７周辺に偏在させるとともに、点火時期を遅角させる燃焼形態（以下「成層リタード燃焼」という）による。成層リタード燃焼で排出される排気の空燃比は、理論空燃比またはこれよりもリーンな空燃比である。本実施形態では、排気の空燃比を理論空燃比とするため、一燃焼サイクル当たりの吸入空気量で完全に燃焼させることのできる燃料量を算出し、この燃料量の一部（例えば、２０〜９０％）を吸気行程中の燃料噴射量とし、残りを圧縮行程中の燃料噴射量とする。

そして、吸気行程中の燃料噴射（以下「吸気行程噴射」という）により噴射された燃料を筒内全体に拡散させて、筒内全体に理論空燃比よりもリーンな均質混合気を形成する。一方で、圧縮行程中の燃料噴射（以下「圧縮行程噴射」という）により噴射された燃料をキャビティ２１ａの壁面に衝突させて点火プラグ７に向けて巻き上げ、点火プラグ７周辺に偏在させて、理論空燃比よりもリッチな成層混合気を形成する。このような状態で点火プラグ７を作動させ、火花点火を実行することで、失火が抑制された外乱に強い燃焼を実現するのである。

本実施形態では、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とを夫々１回の噴射動作により実行するが、吸気行程噴射を分割し、吸気行程中に噴射すべき燃料を２回以上の噴射動作に分けて噴射してもよい。さらに、圧縮行程噴射の燃料噴射量を２回以上の噴射動作に分けて噴射することも可能である。

（燃料噴射時期の設定）
成層リタード燃焼における燃料噴射時期の設定について、図２〜４を参照して説明する。

本実施形態において、「燃料噴射時期」または「噴射時期」とは、特に断りのない限り、燃料噴射弁６による噴射動作の開始時期をいうものとする。

図２は、吸気行程から圧縮行程にかけて筒内に形成されるタンブル流動の強度の変化を示している。同図中、二点鎖線は、当該気筒に対する吸気行程噴射を実行せずにエンジン１を動作させた場合の変化を、実線は、本実施形態により吸気行程噴射を実行した場合の変化を示す。

吸気行程において、吸気弁８が開駆動され、吸気ポート４ａが開放されると、筒内に空気が吸入され、気筒中心軸Ａｘに対して垂直な軸を中心として縦方向に旋回する空気の流動（タンブル流動）が形成される。タンブル流動は、筒内を旋回する空気がピストン２の下降とともに流速を高めることで、強度を増大させる。しかし、ピストン２がさらに下降し、筒内容積が増大していくと、筒内を旋回する空気の流速が低下することから、タンブル流動の強度は、流速の転換点（クランク角Ｃｒ１）で１回目のピーク（以下「第１ピーク」という）Ｐ１を迎え、その後、減少に転じる。圧縮行程に移り、ピストン２が上昇していくと、筒内容積の減少によりタンブル流動の強度が上昇に転じ、クランク角Ｃｒ２に２回目のピーク（以下「第２ピーク」という）Ｐ２を迎える。そして、ピストン２が上死点（圧縮上死点）に近づくにつれてタンブル流動が崩壊に向かうことで、強度を次第に低下させる。このように、タンブル流動は、吸気行程と圧縮行程とで夫々１回ずつ強度のピークを形成する。ここで、第２ピークＰ２における強度が高いと、圧縮行程噴射の噴射時期ＩＴ２にタンブル流動が高い強度を保持することとなり、噴射された燃料の噴霧がタンブル流動に乗って流され、点火プラグ７周辺に良好に偏在させることが困難となる。

本実施形態では、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１を吸気行程中の比較的早い時期に設定することで、燃料の噴霧をタンブル流動に乗せて拡散させるのではなく、タンブル流動と衝突させる。これにより、噴霧の有する運動エネルギーを利用してタンブル流動の強度を低下させる。

図２は、本実施形態における燃料噴射時期ＩＴ１、ＩＴ２を併せて示している。本実施形態では、吸気行程中に噴射された燃料の噴霧を第１ピークＰ１を迎える前のタンブル流動と衝突させることで、タンブル流動の第１ピークＰ１における強度を低下させ、結果として、圧縮行程噴射の噴射時期ＩＴ２に際して筒内に残存するタンブル流動の強度を低下させる。

図３は、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１に応じた排気微粒子数ＰＮ（実線Ａ）および燃焼不安定度ＣＳ（実線Ｂ）の変化を示している。

排気微粒子数ＰＮは、燃料噴射弁６により噴射された燃料のうちどの程度の割合の燃料がピストン冠面２１に付着するかを示す指標である。ピストン冠面２１に付着した燃料が当該サイクル中に燃焼せず、次回以降のサイクルにまで持ち越されることで、ピストン冠面２１に液状化した燃料が蓄積していく。この状態で排気浄化触媒が活性し、触媒暖機制御を終えて通常制御に移行すると、蓄積した燃料が冠面近傍にまで伝播してきた火炎により燃焼し、排気中の微粒子数（排気微粒子数）が増大する。排気微粒子数ＰＮは、燃料噴射時期ＩＴ１におけるピストン２の位置に応じて変化し、燃料噴射時期ＩＴ１を上死点近傍の時期に設定した場合に最も高く、上死点近傍の時期から遅らせていくほど減少する。そして、最小値を迎えた後は、緩やかに増大する傾向を有する。換言すれば、排気微粒子数ＰＮは、燃料噴射時期ＩＴ１を下死点近傍の時期から上死点に近付けていく場合に、漸減傾向から漸増傾向に転じ、その後、上死点への接近に伴い急増する傾向を有するのである。このような観点から、本実施形態では、排気微粒子数ＰＮの許容上限値ＰＮｌｉｍを定め、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１を、排気微粒子数ＰＮが許容上限値ＰＮｌｉｍ以下となる時期に制限する。具体的には、排気微粒子数ＰＮの単位クランク角当たりの変化率ΔＰＮが所定値を超える時期を、微粒子要求噴射限界ＩＴｓとして、エンジン１の回転速度および冷却水温度等の運転状態に対応させて予め設定しておき、排気微粒子数ＰＮの観点から、燃料噴射時期ＩＴ１を微粒子要求噴射限界ＩＴｓ後のクランク角範囲Ｒｐｎに制限する。

一方で、燃焼不安定度ＣＳは、成層リタード燃焼の安定性を示す指標であり、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１を上死点近傍の時期から遅らせていく過程で、燃焼の不安定さがどの程度増すか（換言すれば、燃料噴射時期ＩＴ１の遅角により成層リタード燃焼の安定性がどの程度損なわれるか）を示している。

図４は、筒内における燃料の噴霧と空気とのピストン位置に応じた流れ方向の関係を示している。

同図中、符号Ａｔは、タンブル流動の中心軸を示し、Ａｆは、燃料噴射弁６により噴射された燃料の噴霧ビーム重心線を示す。さらに、符号Ｓａは、タンブル流動の主流の中心線を示す。

図５は、マルチホール型の燃料噴射弁６について定義される噴霧ビーム重心線Ａｆを示している。本実施形態では、６つの噴孔を有する燃料噴射弁６が採用されており、噴霧ビーム重心線Ａｆは、燃料噴射弁６の先端と噴霧ビーム中心ＣＢとを結んだ直線として定義される。ここで、噴霧ビーム中心ＣＢとは、各噴孔から噴射される燃料により噴霧ビームＢ１〜Ｂ６が形成されるとして（図５は、便宜上、４つの噴霧ビームＢ１〜Ｂ４のみを示す）、噴射後一定時間が経過した時点での各噴霧ビームＢ１〜Ｂ６の先端を繋いだ円の中心をいう。

図４に戻り、図４（ａ）は、上死点後の比較的早い時点を、図４（ｂ）は、同図（ａ）が示すよりも遅い時点を示している。よって、図４（ｂ）に示す時点では、同図（ａ）に示す時点よりもピストン２が下方にある。

吸気行程において、筒内に吸入された空気は、気筒中心軸Ａｘに対して垂直な軸Ａｔを中心として縦方向に旋回し、タンブル流動を形成する。タンブル流動が旋回する中心軸Ａｔを「タンブル流動の渦中心」という。タンブル流動の渦中心Ａｔは、目安として、燃焼室高さをＨｃｈとし、ストローク量をＳとした場合に、ピストン冠面２１から距離Ｌ／２＝（Ｈｃｈ＋Ｓ）／２だけ離れた気筒中心軸Ａｘ上の位置に形成され、渦中心Ａｔを画定する必要があるときは、この幾何学位置を採用すればよい。ここで、燃料の噴霧と空気との流れ方向の関係に着目すると、図４（ａ）に示す比較的早い時点では、タンブル流動の渦中心Ａｔが、噴霧ビーム重心線Ａｆまたはその延長線と気筒中心軸Ａｘとの交点よりも上方に存在する。これに対し、図４（ｂ）に示す時点では、タンブル流動の渦中心Ａｔが、同図（ａ）に示す位置と比較して、ピストン２の移動とともに下方に移動しており、噴霧ビーム重心線Ａｆまたはその延長線と気筒中心軸Ａｘとの交点よりも下方に存在する。

そして、図４（ａ）に示す関係では、燃料の噴霧と空気との流れが対向しており、両者の衝突位置において、噴霧の有する運動エネルギーによりタンブル流動が弱められ、タンブル流動の強度が低下する。これに対し、図４（ｂ）に示す関係では、燃料の噴霧と空気との衝突位置において、噴霧の進行方向ベクトルと空気の旋回方向ベクトルとの合成により、タンブル流動が強められ、タンブル流動の強度が増大する結果となる。タンブル流動の強度が増大することで、圧縮行程噴射の噴射時期ＩＴ２に、依然として強いタンブル流動が筒内に残存することとなり、噴射された燃料の噴霧がタンブル流動に乗って流され、点火プラグ７周辺に適切に偏在させることができず、燃焼の安定性が損なわれる。

本実施形態では、排気微粒子数ＰＮに加え、燃焼不安定度ＣＳの観点から吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１を制限する。

図３を併せて参照して、燃焼不安定度ＣＳは、タンブル流動の渦中心Ａｔの位置に応じて変化し、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１を上死点後の早い時期に設定した場合に、タンブル流動の渦中心Ａｔが噴霧ビーム重心線Ａｆの上方にあり、燃料の噴霧と空気との衝突によりタンブル流動が弱められることから、低く抑えられる（換言すれば、燃焼が安定する）。これに対し、ピストン２が下降し、タンブル流動の渦中心Ａｔが噴霧ビーム重心線Ａｆ（またはその延長線）と気筒中心軸Ａｘとの交点に近付いていくと、噴霧の運動エネルギーによる減殺効果が次第に薄れていき、燃焼不安定度ＣＳが増大する。そして、タンブル流動の渦中心Ａｔがこの交点上を通過し、噴霧ビーム重心線Ａｆよりも下方に移動すると、噴霧の進行方向ベクトルと空気の旋回方向ベクトルとの合成により、噴霧の流れが逆にタンブル流動を強める結果となり、燃焼不安定度ＣＳが急激に増大する。このような観点から、本実施形態では、排気微粒子数ＰＮに関する制限と同様に、燃焼不安定度ＣＳの許容上限値ＣＳｌｉｍを定め、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１を、燃焼不安定度ＣＳが許容上限値ＣＳｌｉｍ以下となる時期に制限する。具体的には、燃焼不安定度ＣＳの単位クランク角当たりの変化率ΔＣＳが所定値を超える時期を安定性要求噴射限界ＩＴｅとして設定し、燃焼不安定度ＣＳの観点から、燃料噴射時期ＩＴ１を安定性要求噴射限界ＩＴｅ前のクランク角範囲Ｒｃｓに制限する。

そして、本実施形態では、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１を、上記２つの領域ＲｐｎおよびＲｃｓが重複するクランク角範囲、具体的には、微粒子要求噴射限界ＩＴｓから安定性要求噴射限界ＩＴｅまでの範囲Ｒ内で設定する。

（フローチャートによる説明）
図６は、本実施形態に係る触媒暖機制御の基本的な流れを示すフローチャートである。

本実施形態では、エンジン１を運転する際の燃焼形態を成層リタード燃焼と均質燃焼とで切り換える。

Ｓ１０１では、エンジン１の負荷および回転速度等、各種運転状態を読み込む。エンジン１の運転状態は、アクセルセンサ２０１、回転速度センサ２０２および冷却水温度センサ２０３等の検出信号をもとに、別途実行される運転状態演算ルーチンにより算出される。

Ｓ１０２では、検出された運転状態をもとに、エンジン１の運転モードを判定する。エンジン１が触媒暖機モードにある場合は、Ｓ１０３へ進み、通常モードにある場合は、Ｓ１０４へ進む。電子制御ユニット１０１は、冷機状態からのエンジン１の始動時に触媒暖機モードを選択し、排気浄化触媒が活性し、触媒暖機が完了した後に通常モードを選択する。エンジン１が冷機状態にあるか否かは、エンジン１の始動時における冷却水温度等をもとに判定することができる。

Ｓ１０３では、燃焼形態を成層リタード燃焼に設定する。そして、Ｓ１０５〜１０９の処理により触媒暖機制御を実行する。

Ｓ１０４では、燃焼形態を均質燃焼に設定する。均質燃焼では、エンジン１の負荷および回転速度等をもとに一燃焼サイクル当たりの燃料噴射量を算出し、燃料噴射時期を吸気行程中に設定する。そして、噴射された燃料をタンブル流動に乗せて筒内全体に拡散させ、均質混合気を形成し、ＭＢＴまたはその近傍の時期にこの均質混合気に点火する。均質燃焼における燃料噴射時期は、成層リタード燃焼における吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１よりもクランク角に関して遅く、点火時期は、成層リタード燃焼における点火時期よりも早い時期である。

Ｓ１０５では、成層リタード燃焼のための基本設定として、燃料圧力ＰＦのほか、吸気行程噴射の噴射分割回数ｎおよび噴射時期ＩＴ１、圧縮行程噴射の噴射時期ＩＴ２、点火時期Ｉｇ等を読み込む。基本設定において、吸気行程噴射の噴射分割回数ｎは、１であり、噴射時期ＩＴ１は、安定性要求噴射限界ＩＴｅを基準として定められる噴射動作の終了時期よりも燃料噴射量に応じた噴射期間Δｔ前の時期に設定される。

ここで、電子制御ユニット１０１は、エンジン１の負荷および回転速度等をもとに燃料の基本供給量Ｑｆｂａｓｅを算出し、これに冷却水温度等に応じた補正を施すことで、一燃焼サイクル当たりの燃料噴射量Ｑｉｎｊを算出する。そして、算出された燃料噴射量Ｑｉｎｊの２０〜９０％（＝Ｑｉｎｊ×０．２〜Ｑｉｎｊ×０．９）を吸気行程噴射の噴射量Ｑ１とし、残りを圧縮行程噴射の噴射量Ｑ２とする。電子制御ユニット１０１は、さらに、吸気行程噴射の噴射量Ｑ１を次式に代入することで噴射期間Δｔに換算し、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１を算出する。
Ｑｉｎｊ＝ρ×Ａ×Ｃｄ×√｛（Ｐｉｎｊ−Ｐｆ）／ρ｝×Δｔ …（１）

上式（１）において、燃料密度をρ、噴射ノズル総面積をＡ、ノズル流量係数をＣｄ、燃料の噴射圧力または燃料圧力をＰｆ、筒内圧力をＰａとする。

Ｓ１０６では、吸気行程噴射の噴射時期（動作開始時期）ＩＴ１が微粒子要求噴射限界ＩＴｓ後にあるか否かを判定する。微粒子要求噴射限界ＩＴｓ後にある場合は、排気微粒子数ＰＮが許容上限値ＰＮｌｉｍ以下に抑えられるものとして、Ｓ１０８へ進み、ＩＴｓ後にない場合は、Ｓ１０７へ進む。

Ｓ１０７では、吸気行程噴射の動作開始時期を補正し、微粒子要求噴射限界ＩＴｓ後の時期とする。

Ｓ１０８では、吸気行程噴射の動作終了時期が安定性要求噴射限界ＩＴｅ前にあるか否かを判定し、安定性要求噴射限界ＩＴｅ前にある場合は、本ルーチンの制御を終了し、ＩＴｅ前にない場合は、Ｓ１０９へ進む。つまり、Ｓ１０６および１０８では、吸気行程噴射の噴射期間Δｔが微粒子要求噴射限界ＩＴｓから安定性要求噴射限界ＩＴｅまでの範囲Ｒ内に収まっているか否かを判定するのである。

ここで、本実施形態では、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１を噴射動作の開始時期とし、噴射時期ＩＴ１の設定に際して、安定性要求噴射限界ＩＴｅ前の時期として定められた動作終了時期を基準とする。よって、Ｓ１０８では、常に肯定の判断が下され、本ルーチンの制御を終了することとなる。しかし、噴射時期ＩＴ１は、微粒子要求噴射限界ＩＴｓ後の時期として設定することも可能である。この場合は、Ｓ１０６で常に肯定の判断が下され、Ｓ１０８へ進むことになるが、噴射期間ΔｔによってはこのＳ１０８の判断結果が否定となり、Ｓ１０９へ進むことも考えられる。

Ｓ１０９では、吸気行程噴射の動作終了時期を補正し、安定性要求噴射限界ＩＴｅ前の時期とする。

（燃料噴射時期の補正）
吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１の補正について、図７および８を参照して説明する。

図７は、燃料圧力ＰＦ、吸気行程噴射の噴射分割回数ｎおよび排気微粒子数ＰＮの関係を示している。

排気微粒子数ＰＮは、噴射分割回数ｎが多く、一噴射動作当たりの噴射量が少ないときほど減少し、噴射分割回数ｎが一定のもとでは、燃料圧力ＰＦの増大に対して減少する傾向を有する。これは、一噴射動作当たりの噴射量が少ないときほど、１回の噴射動作により形成される噴霧の有する運動エネルギーが減少するためであり、燃料圧力ＰＦが高いときほど、噴射率が増大し、噴射された燃料の霧化が促進されるためであると考えられる。

図８は、吸気行程噴射の噴射条件（噴射分割回数ｎ、燃料圧力ＰＦ）の変更に対する排気微粒子数ＰＮおよび燃焼不安定度ＣＳの変化を示している。

先に述べたように、排気微粒子数ＰＮは、一定の噴射時期ＩＴ１のもとで、噴射分割回数ｎが多く（換言すれば、一噴射動作当たりの噴射量が少なく）、燃料圧力ＰＦが高いときほど減少する傾向を有する（図７）。よって、排気微粒子数ＰＮの変化を示す曲線は、噴射分割回数ｎの増加および燃料圧力ＰＦの増大に対し、二点鎖線Ａ’から実線Ａに移るように、進角側に推移する。一方で、燃焼不安定度ＣＳの変化を示す曲線も、噴射分割回数ｎの増加および燃料圧力ＰＦの増大に対して僅かに変化し、一点鎖線Ｂ’から実線Ｂに移るように、遅角側に推移する。これは、１回の噴射動作により形成される噴霧の有する運動エネルギーが減少することで、噴霧の進行方向ベクトルとの合成によるタンブル流動強化の作用が減殺され、噴射された燃料の霧化が促進されることで、同様にタンブル流動強化の作用が減殺されるためであると考えられる。このようにして、噴射分割回数ｎを増やすかまたは燃料圧力ＰＦを増大させることで、微粒子要求噴射限界ＩＴｓが変更前の時期ＩＴｓ１から変更後の時期ＩＴｓ２に変化し、安定性要求噴射限界ＩＴｅが変更前の時期ＩＴｅ１から変更後の時期ＩＴｅ２に変化する。よって、噴射条件の変更により、吸気行程噴射が許容される範囲Ｒを、変更前の範囲Ｒ１から変更後の範囲Ｒ２に拡大することができる。

図６に戻り、本実施形態では、Ｓ１０６で吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１が微粒子要求噴射限界ＩＴｓ後にない場合に、Ｓ１０７へ進んで、噴射分割回数ｎを増やし（例えば、１回から２回に増やし）、一噴射動作当たりの噴射量を減少させる。これにより、吸気行程噴射が許容される範囲Ｒを拡大し、噴射時期ＩＴ１（２回に分割する場合は、１回目の噴射動作の開始時期）を微粒子要求噴射限界ＩＴｓ（ＩＴｓ２）後に補正する。

以上が触媒暖機制御の内容であり、以下、本実施形態により得られる効果をまとめる。

（作用効果の説明）
第１に、本実施形態では、点火プラグ７と、筒内に燃料を直接噴射可能に設けられた燃料噴射弁６とを備える直噴エンジン１において、触媒暖機時に、一燃焼サイクル当たりに供給すべき燃料を吸気行程と圧縮行程とに分けて噴射し、吸気行程中の燃料噴射（吸気行程噴射）の噴射時期ＩＴ１を、筒内における空気の流動（タンブル流動）が噴射された燃料の噴霧との衝突により弱められる時期とした。これにより、噴霧の有する運動エネルギーを利用してタンブル流動の角運動量が減殺され、圧縮行程中の燃料噴射（圧縮行程噴射）に際して筒内に残存するタンブル流動の強度が減少するため、噴射された燃料の噴霧を点火プラグ７周辺に適切に偏在させることが容易となる。よって、冷態状態からのエンジン１の始動に際し、排気温度を上昇させるための安定した燃焼を実現し、排気浄化触媒を早期に活性させることが可能となる。

さらに、噴霧との衝突によるタンブル流動強度の低下を吸気行程中の比較的早い時点で行うことで、タンブル流動が未発達のうちに噴霧と衝突させ、タンブル流動を効率的に弱めることができる。

そして、吸気ポート４ａを通じて筒内に吸入された空気が、気筒中心軸Ａｘに対して排気ポート５ａ側の筒内空間をシリンダヘッド１Ｂの下面からピストン冠面２１に向かう方向に通過する流動を形成し、燃料噴射弁６が、気筒中心軸Ａｘに対して吸気ポート４ａ側に配置された直噴エンジン１において、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１を、噴霧の流れが排気ポート５ａ側の筒内空間をピストン冠面２１に向かう方向に通過した空気の流動（タンブル流動）と対向する時期とすることで、噴霧との衝突によりタンブル流動を弱めるための具体的な方法が提供される。

第２に、本実施形態では、燃料噴射弁６により噴射された燃料のピストン冠面２１に対する付着率である燃料付着率を、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１により見積もり、燃料付着率の増大に対し、吸気行程噴射の一噴射動作当たりの噴射量を減少させることとした。具体的には、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１が微粒子要求噴射限界ＩＴｓ前である場合に、一噴射動作当たりの噴射量を減少させることとした。これにより、噴霧の有する運動エネルギーを減らし、噴射された燃料がピストン冠面２１に付着することに起因する微粒子排出量の増大を抑制することができる。

ここで、燃料噴射量の変更において、吸気行程噴射の噴射分割回数ｎを増やして一噴射動作当たりの噴射量を減少させることで、吸気行程噴射が許容される範囲Ｒを拡大することができる。よって、吸気行程噴射の総噴射量を極力維持しながら、安定した燃焼を実現することが可能となる。

第３に、本実施形態では、触媒暖機時における燃焼形態を、一燃焼サイクル当たりの燃料噴射量を吸気行程と圧縮行程とに分けて噴射するとともに、点火プラグ７による点火時期Ｉｇを通常時における点火時期よりも遅角させる成層リタード燃焼によることとした。これにより、圧縮行程噴射により噴射された燃料を点火プラグ７周辺に適切に偏在させ、外乱に強い安定した燃焼を実現し、排気浄化触媒を早期に活性させることができる。

ここで、圧縮行程噴射は、噴射された燃料を点火プラグ７周辺に偏在させ、これを燃焼の火種とするものであるが、噴射時期ＩＴ１の補正の結果、吸気行程噴射の総噴射量に不足が生じた場合は、この不足分を圧縮行程噴射に振り替えて供給するようにしてもよい。このように、一燃焼サイクル当たりの燃料噴射量を吸気行程と圧縮行程とに分けて噴射することで、燃焼の安定に資するとともに、サイクル全体での燃料噴射量に不足が生じるのを防止することができる。

（他の実施形態の説明）
以上の説明では、吸気行程噴射の噴射時期ＩＴ１の補正（図６のＳ１０７）において、一噴射動作当たりの噴射量を減少させ、具体的には、吸気行程噴射の噴射分割回数ｎを増加させることとした。

噴射時期ＩＴ１の補正は、噴射分割回数ｎの変更に限られるものではない。

図９は、吸気行程噴射の各種噴射条件における噴射期間Δｔ、微粒子要求噴射限界ＩＴｓおよび安定性要求噴射限界ＩＴｅの関係を示している。

図９（ａ）は、エンジン１の運転状態に応じた燃料噴射量（換言すれば、一燃焼サイクル当たりの燃料噴射量）Ｑｉｎｊが多く、基本設定として読み込まれた噴射時期（動作開始時期）ＩＴ１ａが微粒子要求噴射限界ＩＴｓａ前にある場合を示している。この場合は、噴射された燃料のピストン冠面２１に対する付着率が高く、許容上限値ＰＭｌｉｍを上回る量の排気微粒子が排出される。

ここで、先に述べた例では、噴射分割回数ｎを増加させることで、一噴射動作当たりの噴射量を減少させ、噴霧の有する運動エネルギーを減少させた（図９（ｃ））。これにより、微粒子要求噴射限界ＩＴｓｃが基本設定による場合（ＩＴｓａ）よりも進角側に移動し、吸気行程噴射が許容される範囲Ｒ（ＩＴｓｃ〜ＩＴｅ）が拡大される。噴射分割回数ｎを増加させたことで不足が生じた分の燃料は、圧縮行程噴射に振り替えて供給することが可能である。

これに対し、他の実施形態では、噴射分割回数ｎを増加させずに１のままとし、吸気行程噴射の総噴射量を減少させることで、噴射期間Δｔｂを短縮する（図９（ｂ））。これにより、噴射分割回数ｎの増加による場合と同じく実質的な一噴射動作当たりの噴射量を減少させ、噴霧の運動エネルギーを減少させて、噴射された燃料をピストン冠面２１に付着し難くすることができる。

さらに、別の実施形態では、一噴射動作当たりの噴射量の変更によらず、燃料の噴射圧力（燃料圧力）ＰＦを増大させる（図９（ｄ））。これにより、噴射率を増大させ、基本設定による場合（Δｔａ）と比較して、吸気行程噴射の噴射期間Δｔｄを短縮する。そして、燃料圧力ＰＦの増大により噴射された燃料の霧化が促進され、ピストン冠面２１に対する燃料の付着が抑制されることから、微粒子要求噴射限界ＩＴｓｄを進角側に移動させる効果が得られ、噴射許容範囲Ｒ（ＩＴｓｄ〜ＩＴｅ）が拡大される。さらに、燃料圧力ＰＦの増大による場合は、燃料の冠面付着が抑制されるばかりでなく、噴射率が増大されることにより噴射量を増やすことが可能であるので、噴射期間の短縮（図９（ｂ））等、噴射量自体を減少させる場合と比較して、排気微粒子の排出抑制と安定した燃焼の実現とに寄与しながら、混合気の均質性を高めることができる。

以上の説明から導き出すことのできる概念の幾つかを、以下に列挙する。

吸気ポートを通じて筒内に吸入された空気が、気筒中心軸に対して吸気ポートとは反対側の筒内空間をシリンダヘッドの下面からピストン冠面に向かう方向に通過する流動を形成し、気筒中心軸に対し、燃料噴射弁が吸気ポート側に配置された直噴エンジンにおいて、燃料を噴射する吸気行程中の所定時期は、噴霧の流れが吸気ポートとは反対側の筒内空間をピストン冠面に向かう方向に通過した空気の流動と対向する時期である、エンジンの制御方法である。

点火プラグと、筒内に燃料を直接噴射可能に設けられた燃料噴射弁とを備え、触媒暖機時に、燃料噴射弁により吸気行程中の所定時期に燃料を噴射する吸気行程噴射を実行するエンジンの制御方法であって、吸気行程噴射の噴射時期に関し、噴射された燃料のピストン冠面に対する付着率が所定値以下に抑えられる第１の所定範囲を設定するとともに、筒内における空気の流動が噴射された燃料の噴霧との衝突により弱められる第２の所定範囲を設定し、吸気行程噴射の噴射時期を、第１および第２の所定範囲の重複範囲に制限する、エンジンの制御方法である。これに付随して、吸気行程噴射の噴射時期が上記重複範囲外にある場合に、吸気行程噴射における一噴射動作当たりの噴射量を減少させるか、燃料の噴射圧力を増大させる、エンジンの制御方法である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において、様々な変更および修正を成し得ることはいうまでもない。

１…直噴エンジン
１Ａ…シリンダブロック
１Ｂ…シリンダヘッド
２…ピストン
２１…ピストン冠面
２１ａ…キャビティ
３…コネクティングロッド
４…吸気通路
４ａ…吸気ポート
５…排気通路
５ａ…排気ポート
６…燃料噴射弁
７…点火プラグ
８…吸気弁
９…排気弁
１０…タンブル制御弁
１０１…電子制御ユニット（エンジンコントローラ）
２０１…アクセルセンサ
２０２…回転速度センサ
２０３…冷却水温度センサ
Ａｆ…噴霧ビーム重心線
Ａｔ…タンブル流動の渦中心
Ａｘ…気筒中心軸
Ｃｈ…燃焼室
Ｓａ…タンブル流動の主流の中心線
Ｂ１〜Ｂ４…噴霧ビーム
ＣＢ…噴霧ビーム中心

Claims (6)

1. 点火プラグと、
   筒内に燃料を直接噴射可能に設けられた燃料噴射弁と、
   を備え、
   触媒暖機時に、前記燃料噴射弁により吸気行程中の所定時期に燃料を噴射する吸気行程噴射を実行するエンジンの制御方法であって、
   前記所定時期は、筒内における空気の流動が前記吸気行程噴射により噴射された燃料の噴霧との衝突により弱められる時期である、直噴エンジンの制御方法。
2. 前記吸気行程噴射により噴射された燃料のピストン冠面に対する付着率である燃料付着率の増大に対し、前記吸気行程噴射における一噴射動作当たりの噴射量を減少させる、請求項１に記載の直噴エンジンの制御方法。
3. 前記吸気行程噴射の噴射分割回数を増やすことで、前記一噴射動作当たりの噴射量を減少させる、請求項２に記載の直噴エンジンの制御方法。
4. 前記吸気行程噴射により噴射された燃料のピストン冠面に対する付着率である燃料付着率の増大に対し、前記吸気行程噴射における燃料の噴射圧力を増大させる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の直噴エンジンの制御方法。
5. 一燃焼サイクル当たりの燃料供給量を吸気行程と圧縮行程とに分けて噴射し、吸気行程中の燃料噴射として前記吸気行程噴射を実行し、
   前記点火プラグによる点火時期を、触媒暖機後の通常時よりも遅角させて設定する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の直噴エンジンの制御方法。
6. 点火プラグと、
   筒内に燃料を直接噴射可能に設けられた燃料噴射弁と、
   排気通路に介装された排気浄化触媒と、
   前記燃料噴射弁の動作を制御するエンジン制御ユニットと、
   を含んで構成され、
   前記エンジン制御ユニットは、前記排気浄化触媒を低温状態から活性させる触媒暖機時に、前記燃料噴射弁の噴射時期を、筒内における空気の流動が前記燃料噴射弁により噴射された燃料の噴霧との衝突により弱められる吸気行程中の所定時期に設定する、
   直噴エンジンの制御装置。

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