JP3724369B2 - 直噴火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents
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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に関し、特に、運転状態に応じて燃焼方式を切り換えるエンジンにおける燃焼方式切り換え時の点火時期制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃費や排気浄化性能の向上を目的として、エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射供給して成層燃焼を行わせる直噴火花点火式エンジンが、採用されてきている。
同上の直噴火花点火式エンジンにおいて、排気浄化触媒の昇温活性化促進のため、燃料を吸気行程と圧縮行程とで分割して噴射することにより、点火栓周りに空燃比がストイキよりリッチな空燃比の成層混合気を形成し、その外側にストイキよりリーンな空燃比の混合気を形成して、燃焼させるようにしたものがある（特開平１０−２１２９８７号参照）。
【０００３】
即ち、点火栓周りの比較的リッチな混合気の初期燃焼で燃焼速度を早めつつ、リーン混合気による主燃焼へ移行させることにより、点火時期のリタードを可能とし、最後に点火栓付近で余剰燃料による後燃えを発生させることなどによって、ＨＣ,ＮＯｘ等の排出を抑制しつつ排気温度を上昇させて、排気浄化触媒の活性化促進を図っている。なお、点火栓周りの混合気の空燃比はストイキとする場合もあり、以下、このようにして形成された混合気の燃焼を成層ストイキ燃焼と称して説明する。
【０００４】
ところで、例えば上記のように排気温度上昇の要求から成層ストイキ燃焼を行っているときでも、エンジンを加速操作したときは、出力確保のため燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼する均質燃焼に切り換えられるが、加速操作によって燃焼の切り換え要求が発生すると同時に燃焼を切り換えると、トルク段差を発生する。
【０００５】
このため、上記のような燃焼の切り換え時に、トルク段差を抑制するための点火時期補正を行うようにしたものが提案されている。具体的には、成層ストイキ燃焼（均質燃焼）から均質燃焼（成層ストイキ燃焼）への切り換え時に、該切り換え要求が発生してから点火時期を、切り換え後の燃焼に適合した点火時期まで補正してから燃焼を切り換えることにより、トルク段差の発生を抑制している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、急加速時には上記の点火時期補正では、補正の完了に時間が掛かりすぎて燃焼の切り換えが遅くなり、エンジンレスポンスが悪化し良好な運転性を確保できなくなることがあった。
具体的には、成層ストイキ燃焼は、半成層燃焼であり、吸気通路等に装着されたスワールコントロールバルブ（流動制御弁）等を閉じて、燃焼室内のガス流動を強め、点火栓周りに可燃混合気を形成し安定した燃焼を確保している。
【０００７】
一方、急加速要求時には、前記成層ストイキ燃焼のままでは、前記ガス流動強化用のスワールコントロールバルブ等が閉じているため、吸気が絞られているので、急加速時要求の吸入空気量をまかないきれなく、エンジンレスポンスの悪化ひいては運転性の悪化を招くおそれがあった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、トルク段差の発生を抑制しつつ良好な過渡運転性能が得られるようにした直噴火花点火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
エンジン運転状態に応じて、燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼させる均質燃焼と、点火栓周りに空燃比がストイキもしくはストイキよりリッチな混合気を形成し、その外側にストイキよりリーンな混合気を形成して燃焼させる成層ストイキ燃焼と、を切り換えるエンジンにおいて、
前記燃焼切り換え要求の発生後、点火時期を切り換え後の燃焼に見合った目標点火時期まで補正してから燃焼切り換えを行い、かつ、該点火時期の補正割合をアクセル開度の変化速度に応じて可変に制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る発明によると、
燃焼切り換え要求の発生時に、運転者の要求を表すアクセル開度の変化速度に応じて目標点火時期への補正割合が設定されるので、要求された運転性を満たすように適度な時間で燃焼の切り換えが実行され、トルク段差の吸収と過渡運転性とを両立させることができる。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、
エンジン運転状態に応じて、燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼させる均質燃焼と、点火栓周りに空燃比がストイキもしくはストイキよりリッチな混合気を形成し、その外側にストイキよりリーンな混合気を形成して燃焼させる成層ストイキ燃焼と、を切り換えるエンジンにおいて、
前記燃焼切り換え要求の発生後、点火時期を切り換え後の燃焼に見合った目標点火時期まで補正してから燃焼切り換えを行い、かつ、該点火時期の補正割合をアクセル開度とアクセル開度の変化速度とに応じて可変に制御することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明によると、
燃焼切り換え要求の発生時に、運転者の要求を表すアクセル開度と、該アクセル開度の変化速度との両方に応じて目標点火時期への補正割合が設定されるので、より的確に把握された要求運転性を満たすように適度な時間で燃焼の切り換えが実行され、トルク段差の吸収と過渡運転性とを両立させることができる。
【００１４】
また、請求項３に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時、点火時期を前記目標点火時期に近づける進角方向の補正割合を、アクセル開度が大きいときに大きくすることを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
急加速時などアクセル開度が大きくなると、均質燃焼に適合した目標点火時期（ＭＢＴ）への進角方向の補正割合が大きい値に設定されるので、点火時期が速やかに目標点火時期まで進角補正されて、短時間で均質燃焼に切り換えられる。
【００１５】
一方、アクセル開度が小さく留まる緩加速時などは、進角方向の補正割合を比較的小さい値に設定されるので、比較的緩やかにトルクを上昇させつつ均質燃焼に切り換えられる。したがって、要求加速に応じたトルク上昇速度と切り換え時間で均質燃焼へ移行し、トルク段差を吸収しつつ加速応答性（エンジンレスポンス）を満たすことができる。
【００１６】
また、請求項４に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時、アクセル開度が所定開度以上で目標点火時期への切り換えが完了するように前記進角方向の補正割合を設定することを特徴とする。
請求項４に係る発明によると、
アクセル開度が所定開度以上になったときには、目標点火時期への切り換えが完了して均質燃焼に切り換えられるので、燃焼の切り換え遅れを確実に防止して急加速応答性を確保することができる。
【００１７】
また、請求項５に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時、点火時期を前記目標点火時期に近づける単位時間あたりの進角方向の補正割合を、アクセル開度の増大速度が大きいときに大きくすることを特徴とする。
請求項５に係る発明によると、アクセル開度の変化速度が大きい急加速時は、均質燃焼に適合した目標点火時期（ＭＢＴ）への単位時間あたり進角補正割合すなわち進角補正速度が大きい値に設定されるので、点火時期が短時間で目標点火時期まで進角補正されて、短時間で均質燃焼に切り換えられる。
【００１８】
一方、アクセル開度の変化速度が小さい緩加速時は、進角補正速度が比較的小さい値に設定されるので、比較的緩やかにトルクを上昇させつつ均質燃焼に切り換えられる。
したがって、要求加速に応じたトルク上昇速度と切り換え時間で均質燃焼へ移行し、トルク段差を吸収しつつ加速応答性（エンジンレスポンス）を満たすことができる。
【００１９】
また、請求項６に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼用の混合気形成を促進する吸気流動制御弁を備え、前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換えと同時に前記流動制御弁を閉から開に切り換えることを特徴とする。
請求項６に係る発明によると、
既述のように、吸気流動制御弁を備えることにより、燃焼室内に適度な吸気流動を生じさせて成層ストイキ燃焼用の混合気形成が促進され、安定した成層ストイキ燃焼を行わせることができるが、該吸気流動制御弁を作動した成層ストイキ燃焼のままでは急加速時要求の吸入空気量をまかないきれない。
【００２０】
したがって、本発明を適用して、成層ストイキ燃焼から速やかに均質燃焼への切り換えることにより、急加速時要求を満たせる効果が大きい。
また、請求項７に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼時は、吸気行程中の燃焼噴射により燃焼室全体にリーンな混合気を形成し、圧縮行程中の燃料噴射により点火栓周りに空燃比がストイキもしくはストイキよりリッチな混合気を形成することを特徴とする。
【００２１】
請求項７に係る発明によると、
吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料噴射することで、成層ストイキ燃焼用の混合気を容易かつ良好な状態に形成することができる。
また、請求項８に係る発明は、
前記アクセル開度を、スロットル開度によって検出することを特徴とする。
【００２２】
請求項８係る発明によると、
アクセル開度に応じたスロットル開度の検出値を用いても同様に機能し、実際の吸気特性に見合った燃焼切り換え時の点火時期制御を行える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。
本発明の、実施形態のシステム構成を示す図１において、エンジン（内燃機関）１の吸気通路２には吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ３及び吸入空気流量Ｑａを制御するスロットル弁４が設けられると共に、各気筒の吸気ポートに成層ストイキ燃焼用の吸気流動制御弁としてのスワールコントロールバルブ２１が装着される。該スワールコントロールバルブ２１は、コントロールユニット５０によって制御されるアクチュエータ２２により成層ストイキ燃焼時に絞り制御され、燃焼室内のガス流動を強めて成層ストイキ燃焼に適した混合気が形成されるようにしている。
【００２４】
また、各気筒の燃焼室に臨ませて、燃料噴射弁５が設けられている。前記燃料噴射弁５は、前記コントロールユニット５０において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータ（図示せず）により所定圧力に制御された燃料を燃焼室内に直接噴射供給することができるようになっている。
【００２５】
なお、燃焼室に臨んで装着されて、コントロールユニット５０からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う点火栓６が、各気筒に設けられている。
一方、排気通路７には、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空燃比センサ８（リッチ・リーン出力する酸素センサであっても良いし、空燃比をリニアに広域に亘って検出する広域空燃比センサであってもよい）が設けられ、その下流側には、排気を浄化するための排気浄化触媒９が介装されている。なお、排気浄化触媒９としては、ストイキつまり理論空燃比｛λ＝１、Ａ／Ｆ（空気重量／燃料重量）・１４．７｝近傍において排気中のＣＯ，ＨＣの酸化とＮＯｘ の還元を行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中のＣＯ，ＨＣの酸化を行う酸化触媒、或いは理論空燃比近傍において三元機能は発揮し、リーン空燃比において排気中のＮＯｘをトラップし、ストイキ乃至リッチ空燃比になったときにトラップしたＮＯｘを還元放出するＮＯｘトラップ触媒等を用いることができる。
【００２６】
更に、前記排気浄化触媒９の排気下流側には、排気中の特定成分（例えば、酸素）濃度を検出し、リッチ・リーン出力する下流側酸素センサ１０が設けられるようになっている。
ここでは、下流側酸素センサ１０の検出値により、空燃比センサ８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８の劣化等に伴う制御誤差を抑制する等のために（所謂ダブル空燃比センサシステム採用のために）、前記下流側酸素センサ１０を設けて構成したが、空燃比センサ８の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行わせるだけで良い場合には、かかる下流側酸素センサ１０は省略することができるものである。また、空燃比フィードバック制御を行わない場合には、空燃比センサ８と下流側酸素センサ１０を共に省略することができるものである。
【００２７】
ところで、空燃比センサ８は、排気浄化触媒９の排気上流側に設けられ、かつ熱容量も小さいので、排気浄化触媒９に比べれば、活性化速度は極めて速い。また、空燃比センサ８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（排気浄化触媒９の暖機過程中）に、当該空燃比センサ８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】
そこで、本実施の形態では、始動後直ちに空燃比センサ８を活性化させて、後述する成層ストイキ燃焼時に、燃焼室全体の空燃比がストイキとなるように、空燃比センサ８の検出値に基づいて、フィードバック制御する。
また、クランク角センサ１１が備えられており、コントロールユニット５０では、該クランク角センサ１１からエンジン回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントして、又は、クランク基準角信号の周期を計測してエンジン回転速度Ｎｅを検出できるようになっている。
【００２９】
そして、エンジン１の冷却ジャケットに臨んで設けられ、冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１２が設けられている。
更に、前記スロットル弁４の開度を検出するスロットルセンサ１３（アイドルスイッチとしても機能させることができる）が設けられている。
ところで、本実施形態においては、前記スロットル弁４の開度を、ＤＣモータ等のアクチュエータにより制御することができるスロットル弁制御装置１４が備えられている。
【００３０】
当該スロットル弁制御装置１４は、アクセル開度等に基づき演算される要求トルクを達成できるように、コントロールユニット５０からの駆動信号に基づき、スロットル弁４の開度を電子制御するものとして構成することができる。
前記各種センサ類からの検出信号は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなるコントロールユニット５０へ入力され、当該コントロールユニット５０は、前記センサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、前記スロットル弁制御装置１４を介してスロットル弁４の開度を制御し、前記燃料噴射弁５を駆動して燃料噴射量 (燃料供給量) を制御し、点火時期を設定して該点火時期で前記点火栓６を点火させる制御を行う。
【００３１】
なお、例えば、所定運転状態（低・中負荷領域など）で燃焼室内に圧縮行程で燃料噴射して、燃焼室内の点火栓６周辺に可燃混合気を層状に形成して成層燃焼を行うことができる一方、他の運転状態（高負荷領域など）では燃焼室内に吸気行程で燃料噴射して、シリンダ全体に略均質な混合比の混合気を形成して均質燃焼を行うことができるように、燃料噴射時期（噴射タイミング）についても、運転状態などに応じて変更可能に構成されている。
【００３２】
また、コントロールユニット５０は、始動開始から排気浄化触媒９が活性化するまでの間における大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、排気浄化触媒９の早期活性化を図るようにするために、キースイッチ１６など各種センサからの入力信号を受け、例えば、以下のような制御を行うようになっている。
具体的には、例えば、図２に示すようなフローチャートを実行するようになっている。
【００３３】
ステップ（図では、Ｓと記してある。以下、同様）１では、従来同様の手法により、キースイッチ１６のイグニッション信号がＯＮとなったか（キー位置がイグニションＯＮ位置とされたか）否かを判断する。ＹＥＳであればステップ２へ進み、ＮＯであれば本フローを終了する。
ステップ２では、従来同様の手法により、キースイッチ１６のスタート信号がＯＮとなったか（キー位置がスタート位置とされたか）否かを判断する。即ち、スターターモータ（図示せず）によるクランキング要求があるか否かを判断する。
【００３４】
ＹＥＳであれば、始動クランキング要求があるとしてステップ３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、ステップ１へリターンする。
ステップ３では、従来同様に、スターターモータの駆動を開始して、エンジン１をクランキングする。
ステップ４では、従来同様に、始動のための燃料噴射｛吸気行程での直接燃料噴射、図３（Ｂ）参照｝を行わせて、エンジン１の運転（直噴均質燃焼）を行わせる。
【００３５】
次のステップ５では、排気浄化触媒９が活性化していないか否かを判断する。当該判断は、該触媒９の温度を、センサを設けて検出し、あるいは、エンジンの運転履歴から該触媒９の温度を推定して、判断することができる。
触媒が活性化していなければ（ＹＥＳであれば）、ステップ６へ進む。
一方、触媒が活性化していれば（ＮＯ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ステップ１３へ進み、点火時期切換制御を行いつつ均質燃焼に切り換える。
【００３６】
ステップ６では、前記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、下記▲１▼、▲２▼の条件が共に成立しているとき、成層ストイキ燃焼が許可される。
▲１▼空燃比センサ８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）。
【００３７】
▲２▼アイドルスイッチがＯＮであること。
そして、前記成層ストイキ燃焼の許可条件が成立したと判定された場合は、後述する触媒活性化促進等のための成層ストイキ燃焼を行わせても良好な着火性・燃焼性延いてはエンジン安定性（エンジン運転性）等が得られるとして、ステップ７へ進む。
【００３８】
一方、ＮＯの場合には、後述する触媒活性化促進のための成層ストイキ燃焼を行わせると、燃焼安定性延いてはエンジン安定性（エンジン運転性）等が低下するおそれがあるとして、成層ストイキ燃焼への移行を禁止して、吸気行程での直接燃料噴射（直噴均質燃焼）を継続すべく、ステップ４へリターンする。
ステップ７では、前記均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換えに応じた点火時期制御を行いつつ成層ストイキ燃焼へ切り換える。
【００３９】
前記点火時期制御の概要を説明すると、まず、均質燃焼における点火時期［ＭＢＴ（最大トルク発生点火時期）］を徐々に遅角して均質燃焼時の発生トルクを徐々に低下させ、成層ストイキ燃焼に適合した目標遅角点火時期まで遅角した後、
成層ストイキ燃焼に切り換えると同時に、点火時期を前記遅角補正分一気に進角補正して燃焼切り換え時のトルク段差を解消する。その後、前記目標遅角点火時期まで徐々に遅角する。
【００４０】
そして、成層ストイキ燃焼への移行が終了すると、ステップ８で、成層ストイキ燃焼が継続される。
成層ストイキ燃焼は、具体的には、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｛略ストイキ（理論空燃比）を達成するのに必要な燃料重量｝のうち、例えば略５０％乃至略９０％の燃料重量を、吸気行程で燃焼室内に噴射供給し、燃焼室内全体にストイキよりも比較的リーン（希薄）な均質混合気を形成すると共に｛図３（Ｂ）に示す燃料噴射により形成する｝、残りの略５０％乃至略１０％の燃料重量を、圧縮行程で燃焼室内に噴射供給し、点火栓６周りにストイキよりも比較的リッチな（燃料濃度の高い）混合気を層状に形成して｛図３（Ａ）参照｝、燃焼させる（図４参照）。ただし、点火栓６周りの混合気はストイキとしてもよい。
【００４１】
なお、当該成層ストイキ燃焼形態は、吸気行程中に燃焼室内に（本実施形態では吸気行程噴射により）形成されるストイキよりもリーンな混合気の空燃比を１６〜２８とし、圧縮行程中の燃料噴射により点火栓周りに形成されるストイキよりもリッチな混合気の空燃比が９〜１３となるように、吸気行程中の燃料噴射量と、圧縮行程中の燃料噴射量と、の分担率を設定するようにしても良い。
【００４２】
また、各混合気層の空燃比を上記のような範囲としておけば、燃焼室内の平均空燃比を理論空燃比から多少ずれた空燃比（例えば、１３．８〜１８の範囲）に設定しても良い。
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、燃焼室から排気通路に排出される未燃ＨＣ量を減少させることができる。
【００４３】
即ち、成層ストイキ燃焼によれば、従来の燃焼形態｛均質燃焼だけ、成層燃焼だけ、或いは、これらに対し更に追加燃料を燃焼後期以降（膨張行程以降や排気行程中）に噴射する燃焼形態など｝で暖機を行わせる場合に比べて、始動開始から排気浄化触媒９が活性化するまでの間における大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、排気浄化触媒９の早期活性化を格段に促進できることになる。
【００４４】
図２に戻って、上記のようにして成層ストイキ燃焼への切換後、ステップ９で加速されたか否かを判定する。
加速されたと判定された場合は、ステップ１０へ進み点火時期切換制御を行った後、ステップ１１で均質燃焼に切り換える。
また、ステップ９で加速されていないと判定されたときは、ステップ１２で排気浄化触媒９が活性したかを判定し、活性していない場合はステップ８へ戻って成層ストイキ燃焼を継続するが、活性したと判定された場合はステップ１３へ進んで点火時期切換制御を行いつつ均質燃焼に切り換える。
【００４５】
前記ステップ９で加速されたと判定されたときの、ステップ１０での均質燃焼への移行に際して行う本発明に係る点火時期切換制御を図５に示したフローチャートに従って説明する。
図５は、該点火時期切換制御ルーチンのフローチャートである。
ステップ２１では、均質(ストイキ)燃焼が許可されている（図２のステップ９で加速と判定されて均質燃焼の切換要求が発生した）か否かを判定する。
【００４６】
そして、均質燃焼が許可されているとき、つまり、成層ストイキ燃焼から加速操作によって均質燃焼への切換要求が発生しているときには、ステップ２２へ進み、均質燃焼への切換に見合った点火時期の進角補正制御を開始する。このとき、前記遅角割合の初期値は100％に設定されている。
即ち、成層ストイキ燃焼から均質燃焼に切り換える場合は、成層ストイキ燃焼での点火時期をエンジン安定限界内で最大限遅角させている。該遅角された成層ストイキ燃焼での点火時期から、均質燃焼に適合した点火時期であるＭＢＴ（最大トルク発生点火時期）まで、進角補正して燃焼切り換えによるトルク段差の発生を抑制する。
【００４７】
ステップ２３では、遅角量を算出する。すなわち、最終的な燃焼切り換え時の目標点火時期であるＭＢＴからの遅角量によって点火時期制御を制御するので、該遅角量を算出する。
該遅角量の算出を、図６に示したサブルーチンのフローチャートにしたがって説明する。
【００４８】
ステップ３１では、スロットル弁開度ＴＶＯによる遅角補正率ｐを算出する。この遅角補正率ｐは、前記ＭＢＴに対する燃焼切り換え要求発生時の点火時期の遅角量に乗じられる補正係数として設定され、スロットル弁開度ＴＶＯの増大に応じてＭＢＴからの遅角量を減少させ、つまり進角補正量を大きくさせてＭＢＴに近づけるように設定される。具体的には、図７に示すように、スロットル弁開度ＴＶＯが第１の所定開度Ａ以下のときはｐ＝１で一定、第１の所定開度Ａより大きく第２の所定開度Ｂ未満のときは、ＴＶＯの増大に応じてｐは１から０まで漸減して設定され、第２の所定開度Ｂ以上でｐ＝０で一定となるように設定されている。
【００４９】
ステップ３２では、スロットル弁開度ＴＶＯの変化速度ΔＴＶＯによる遅角割合のデクリメント量ｑを算出する。該デクリメント量ｑは、現在の点火時期から均質燃焼でのＭＢＴに達するまでの単位時間あたりの進角補正割合として設定されるものであり、変化速度ΔＴＶＯが大きいときほど大きい値、つまり短時間でＭＢＴに達するように設定される。具体的には、図８に示すように、変化速度ΔＴＶＯが第１の所定速度Ｃ以下のときはｑ＝最小値で一定、第１の所定速度Ｃより大きく第２の所定速度Ｄ未満のときは、ΔＴＶＯの増大に応じてｑは最小値から最大値まで漸増して設定され、第２の所定速度Ｄ以上でｑ＝最大値で一定となるように設定されている。
【００５０】
ステップ３３では、前記算出されたデクリメント量ｑを、現在の遅角割合からデクリメントして遅角割合を更新する。これにより、遅角割合は、このルーチンの実行周期毎にｑずつ減少していく。
ステップ３４では、次式によってＭＢＴに対する遅角量を算出する。
遅角量＝（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）×ｐ×遅角割合
ここで、目標遅角点火時期は、均質燃焼への切り換え要求発生時における成層ストイキ燃焼での点火時期であり、該目標遅角点火時期のＭＢＴに対する遅角量である（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）に前記逐次のスロットル弁開度ＴＶＯに応じた遅角補正率ｐが乗じられ、かつ、このルーチンの実行周期毎に前記デクリメント量ｑずつ減算される遅角割合が乗じられる。
【００５１】
このようにして遅角量を算出した後、図５のステップ２４に戻って、燃焼切り換え前の点火時期を次式のように算出する。
点火時期＝ＭＢＴ−遅角量
ステップ２５では、ステップ２４で算出された点火時期がＭＢＴまで進角したか（遅角量＝０か）を判定する。
【００５２】
そして、ＭＢＴに達するまでは、ステップ２３に戻って遅角量を算出更新しつつステップ２４で設定された点火時期に制御する。
このようにして、ＭＢＴに近づける点火時期の進角補正を行いつつ、点火時期がＭＢＴに達したと判定されたときに、ステップ２６に進んで燃焼の切り換えを行う。具体的には、燃料噴射を吸気行程での１回噴射に切り換えると共に、スワールコントロールバルブ２１を全開として吸入空気量を確保しつつ燃焼室全体に均質な混合気を形成して均質燃焼を行わせる。
【００５３】
その後は、ステップ２７に進んでエンジンの回転速度、負荷等の運転状態に基づいて、マップから参照した点火時期を設定し、該設定された点火時期に制御する。
上記制御の様子を、図９に示す。
加速時のアクセル操作により、スロットル弁開度ＴＶＯが図に実線で示すように低開度から全開まで所定の変化速度ΔＴＶＯ１で増大する場合、ＴＶＯが前記第１の所定開度Ａに達する（図示Ｙ）までは、成層ストイキ燃焼時における燃焼切り換え要求発生時の点火時期からΔＴＶＯ１により設定される遅角割合のデクリメント量ｑによって時間あたり所定の割合で進角されていく。
【００５４】
ＴＶＯが前記第１の所定開度Ａ以上になってからは、増大するＴＶＯに応じて前記遅角補正率ｐが減少することによって進角補正されるので、進角補正割合が増大し、ＴＶＯが第２の所定開度Ｂになったとき（図示Ｚ）には、遅角補正率ｐ＝０となってＭＢＴに達する。
また、図示一点鎖線に示すように、より大きな変化速度ΔＴＶＯ２での急加速時は、ΔＴＶＯの増大に応じて遅角割合のデクリメント量ｑが大きい値に設定され、また、ＴＶＯが第２の所定開度Ｂに達する時間も短いので、点火時期も立ち上がりから速やかに大きな割合で進角補正されより短時間でＭＢＴに達する特性となる。
【００５５】
図示点線は、従来の遅角割合のデクリメント量ｑを一定とし、遅角補正率ｐによる補正を行わない場合（ｐ＝１）を示したもので、ＴＶＯ、ΔＴＶＯによらず点火時期がＹ’でＭＢＴに達して均質燃焼に切り換えるのに時間を要し、加速レスポンスを満たせない。
これに対し、本実施形態では、ＴＶＯ、ΔＴＶＯに応じて加速の要求に見合った補正割合で均質燃焼の要求点火時期であるＭＢＴに到達させることができるので、トルク段差の発生を抑制しつつ速やかにスワールコントロールバルブを開動作と共に均質燃焼へ切り換えることができ、エンジンレスポンスひいては運転性が向上する。
【００５６】
なお、従来は、加速によって成層ストイキ燃焼から均質燃焼に切り換える場合でも、燃焼切り換えと同時に該切り換え時のトルク段差を完全に無くすように一旦所定量ステップ的に遅角してから再度ＭＢＴに徐々に近づける点火時期制御としてきたため、均質燃焼でＭＢＴに達するのは更に遅れることとなっていた（図示Ｚ’）。しかし、加速時は燃焼切り換えによってトルクアップを生じても加速要求に見合っているためトルク段差として感じにくく、速やかに要求点火時期（ＭＢＴ）に切り換えて最大の出力を確保する方が、要求に適っていると考えられるので、燃焼切り換え後も遅角補正することなく直ちに均質燃焼での要求点火時期ＭＢＴに制御することとした。ただし、図２のステップ１２で触媒９が活性されたと判断されたときにステップ１３で成層ストイキ燃焼から均質燃焼に切り換えるときは、均質燃焼への切り換えと同時に一旦所定量ステップ的に遅角して、燃焼切り換え時のトルクショックを完全に解消してから再度ＭＢＴに徐々に近づける点火時期制御とする。
【００５７】
また、本実施形態において、急加速時にΔＴＶＯに対する遅角量のデクリメント量ｑを十分大きくした場合には、それによって遅角割合が０に達する方が、スロットル弁開度ＴＶＯが第２の所定開度Ｂに達するより早くなるようにすることも可能であり、ΔＴＶＯに応じてより速やかに燃焼の切り換えが行われる。
また、前記ステップ２３での遅角割合の算出を、次式で行うようにしてもよい。
【００５８】
遅角割合＝遅角割合−ｑ／ｐ
この式では、ΔＴＶＯに応じた単位時間あたりの進角補正量が、遅角補正率ｐの大きさに影響されないので、より速やかにＭＢＴに達成する特性となる。どちらの式を選択するかは、エンジン特性を考慮して、適宜決めればよい。
また、本実施形態では、ＴＶＯとΔＴＶＯの双方に対して進角補正割合を可変制御するものを示したが、ＴＶＯとΔＴＶＯの一方のみに対して進角補正割合を可変制御する構成としてもよい。すなわち、前記遅角補正率ｐをＴＶＯに応じて可変に制御するだけの構成とし、あるいは、遅角割合のデクリメント量をΔＴＶＯに応じて可変に制御するだけの構成としてもよい。
【００５９】
また、本実施形態では、アクセル開度に相当する量としてスロットル弁開度を検出するようにしたので、実際の吸気特性に見合った点火時期制御を行えるが、アクセル開度の検出値を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るシステム構成図。
【図２】同上実施形態における全体制御のフローチャート。
【図３】（Ａ）は、直噴圧縮行程噴射を説明するための模式図。（Ｂ）は、直噴吸気行程噴射を説明するための模式図。（Ｃ）は、燃料噴射時の平面図。
【図４】成層ストイキ燃焼形態の燃焼室内における混合気の形成状態を説明するための図。
【図５】同上実施形態において成層ストイキ燃焼から均質燃焼へ切り換える時の燃焼切換時の制御を説明するためのフローチャート。
【図６】上記制御における遅角量算出のサブルーチンを示すフローチャート。
【図７】上記制御におけるスロットル弁開度ＴＶＯに対する遅角補正率ｐの特性を示す図。
【図８】上記制御におけるスロットル弁開度変化速度ΔＴＶＯに対する遅角割合のデクリメント量ｑの特性を示す図。
【図９】上記制御時の様子を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１ エンジン
４ スロットル弁
５ 燃料噴射弁
６ 点火栓
７ 排気通路
８ 空燃比センサ
９ 排気浄化触媒
21 スワールコントロールバルブ
50 コントロールユニット
【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に関し、特に、運転状態に応じて燃焼方式を切り換えるエンジンにおける燃焼方式切り換え時の点火時期制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃費や排気浄化性能の向上を目的として、エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射供給して成層燃焼を行わせる直噴火花点火式エンジンが、採用されてきている。
同上の直噴火花点火式エンジンにおいて、排気浄化触媒の昇温活性化促進のため、燃料を吸気行程と圧縮行程とで分割して噴射することにより、点火栓周りに空燃比がストイキよりリッチな空燃比の成層混合気を形成し、その外側にストイキよりリーンな空燃比の混合気を形成して、燃焼させるようにしたものがある（特開平１０−２１２９８７号参照）。
【０００３】
即ち、点火栓周りの比較的リッチな混合気の初期燃焼で燃焼速度を早めつつ、リーン混合気による主燃焼へ移行させることにより、点火時期のリタードを可能とし、最後に点火栓付近で余剰燃料による後燃えを発生させることなどによって、ＨＣ,ＮＯｘ等の排出を抑制しつつ排気温度を上昇させて、排気浄化触媒の活性化促進を図っている。なお、点火栓周りの混合気の空燃比はストイキとする場合もあり、以下、このようにして形成された混合気の燃焼を成層ストイキ燃焼と称して説明する。
【０００４】
ところで、例えば上記のように排気温度上昇の要求から成層ストイキ燃焼を行っているときでも、エンジンを加速操作したときは、出力確保のため燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼する均質燃焼に切り換えられるが、加速操作によって燃焼の切り換え要求が発生すると同時に燃焼を切り換えると、トルク段差を発生する。
【０００５】
このため、上記のような燃焼の切り換え時に、トルク段差を抑制するための点火時期補正を行うようにしたものが提案されている。具体的には、成層ストイキ燃焼（均質燃焼）から均質燃焼（成層ストイキ燃焼）への切り換え時に、該切り換え要求が発生してから点火時期を、切り換え後の燃焼に適合した点火時期まで補正してから燃焼を切り換えることにより、トルク段差の発生を抑制している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、急加速時には上記の点火時期補正では、補正の完了に時間が掛かりすぎて燃焼の切り換えが遅くなり、エンジンレスポンスが悪化し良好な運転性を確保できなくなることがあった。
具体的には、成層ストイキ燃焼は、半成層燃焼であり、吸気通路等に装着されたスワールコントロールバルブ（流動制御弁）等を閉じて、燃焼室内のガス流動を強め、点火栓周りに可燃混合気を形成し安定した燃焼を確保している。
【０００７】
一方、急加速要求時には、前記成層ストイキ燃焼のままでは、前記ガス流動強化用のスワールコントロールバルブ等が閉じているため、吸気が絞られているので、急加速時要求の吸入空気量をまかないきれなく、エンジンレスポンスの悪化ひいては運転性の悪化を招くおそれがあった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、トルク段差の発生を抑制しつつ良好な過渡運転性能が得られるようにした直噴火花点火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
エンジン運転状態に応じて、燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼させる均質燃焼と、点火栓周りに空燃比がストイキもしくはストイキよりリッチな混合気を形成し、その外側にストイキよりリーンな混合気を形成して燃焼させる成層ストイキ燃焼と、を切り換えるエンジンにおいて、
前記燃焼切り換え要求の発生後、点火時期を切り換え後の燃焼に見合った目標点火時期まで補正してから燃焼切り換えを行い、かつ、該点火時期の補正割合をアクセル開度の変化速度に応じて可変に制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る発明によると、
燃焼切り換え要求の発生時に、運転者の要求を表すアクセル開度の変化速度に応じて目標点火時期への補正割合が設定されるので、要求された運転性を満たすように適度な時間で燃焼の切り換えが実行され、トルク段差の吸収と過渡運転性とを両立させることができる。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、
エンジン運転状態に応じて、燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼させる均質燃焼と、点火栓周りに空燃比がストイキもしくはストイキよりリッチな混合気を形成し、その外側にストイキよりリーンな混合気を形成して燃焼させる成層ストイキ燃焼と、を切り換えるエンジンにおいて、
前記燃焼切り換え要求の発生後、点火時期を切り換え後の燃焼に見合った目標点火時期まで補正してから燃焼切り換えを行い、かつ、該点火時期の補正割合をアクセル開度とアクセル開度の変化速度とに応じて可変に制御することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明によると、
燃焼切り換え要求の発生時に、運転者の要求を表すアクセル開度と、該アクセル開度の変化速度との両方に応じて目標点火時期への補正割合が設定されるので、より的確に把握された要求運転性を満たすように適度な時間で燃焼の切り換えが実行され、トルク段差の吸収と過渡運転性とを両立させることができる。
【００１４】
また、請求項３に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時、点火時期を前記目標点火時期に近づける進角方向の補正割合を、アクセル開度が大きいときに大きくすることを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
急加速時などアクセル開度が大きくなると、均質燃焼に適合した目標点火時期（ＭＢＴ）への進角方向の補正割合が大きい値に設定されるので、点火時期が速やかに目標点火時期まで進角補正されて、短時間で均質燃焼に切り換えられる。
【００１５】
一方、アクセル開度が小さく留まる緩加速時などは、進角方向の補正割合を比較的小さい値に設定されるので、比較的緩やかにトルクを上昇させつつ均質燃焼に切り換えられる。したがって、要求加速に応じたトルク上昇速度と切り換え時間で均質燃焼へ移行し、トルク段差を吸収しつつ加速応答性（エンジンレスポンス）を満たすことができる。
【００１６】
また、請求項４に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時、アクセル開度が所定開度以上で目標点火時期への切り換えが完了するように前記進角方向の補正割合を設定することを特徴とする。
請求項４に係る発明によると、
アクセル開度が所定開度以上になったときには、目標点火時期への切り換えが完了して均質燃焼に切り換えられるので、燃焼の切り換え遅れを確実に防止して急加速応答性を確保することができる。
【００１７】
また、請求項５に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時、点火時期を前記目標点火時期に近づける単位時間あたりの進角方向の補正割合を、アクセル開度の増大速度が大きいときに大きくすることを特徴とする。
請求項５に係る発明によると、アクセル開度の変化速度が大きい急加速時は、均質燃焼に適合した目標点火時期（ＭＢＴ）への単位時間あたり進角補正割合すなわち進角補正速度が大きい値に設定されるので、点火時期が短時間で目標点火時期まで進角補正されて、短時間で均質燃焼に切り換えられる。
【００１８】
一方、アクセル開度の変化速度が小さい緩加速時は、進角補正速度が比較的小さい値に設定されるので、比較的緩やかにトルクを上昇させつつ均質燃焼に切り換えられる。
したがって、要求加速に応じたトルク上昇速度と切り換え時間で均質燃焼へ移行し、トルク段差を吸収しつつ加速応答性（エンジンレスポンス）を満たすことができる。
【００１９】
また、請求項６に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼用の混合気形成を促進する吸気流動制御弁を備え、前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換えと同時に前記流動制御弁を閉から開に切り換えることを特徴とする。
請求項６に係る発明によると、
既述のように、吸気流動制御弁を備えることにより、燃焼室内に適度な吸気流動を生じさせて成層ストイキ燃焼用の混合気形成が促進され、安定した成層ストイキ燃焼を行わせることができるが、該吸気流動制御弁を作動した成層ストイキ燃焼のままでは急加速時要求の吸入空気量をまかないきれない。
【００２０】
したがって、本発明を適用して、成層ストイキ燃焼から速やかに均質燃焼への切り換えることにより、急加速時要求を満たせる効果が大きい。
また、請求項７に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼時は、吸気行程中の燃焼噴射により燃焼室全体にリーンな混合気を形成し、圧縮行程中の燃料噴射により点火栓周りに空燃比がストイキもしくはストイキよりリッチな混合気を形成することを特徴とする。
【００２１】
請求項７に係る発明によると、
吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料噴射することで、成層ストイキ燃焼用の混合気を容易かつ良好な状態に形成することができる。
また、請求項８に係る発明は、
前記アクセル開度を、スロットル開度によって検出することを特徴とする。
【００２２】
請求項８係る発明によると、
アクセル開度に応じたスロットル開度の検出値を用いても同様に機能し、実際の吸気特性に見合った燃焼切り換え時の点火時期制御を行える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。
本発明の、実施形態のシステム構成を示す図１において、エンジン（内燃機関）１の吸気通路２には吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ３及び吸入空気流量Ｑａを制御するスロットル弁４が設けられると共に、各気筒の吸気ポートに成層ストイキ燃焼用の吸気流動制御弁としてのスワールコントロールバルブ２１が装着される。該スワールコントロールバルブ２１は、コントロールユニット５０によって制御されるアクチュエータ２２により成層ストイキ燃焼時に絞り制御され、燃焼室内のガス流動を強めて成層ストイキ燃焼に適した混合気が形成されるようにしている。
【００２４】
また、各気筒の燃焼室に臨ませて、燃料噴射弁５が設けられている。前記燃料噴射弁５は、前記コントロールユニット５０において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータ（図示せず）により所定圧力に制御された燃料を燃焼室内に直接噴射供給することができるようになっている。
【００２５】
なお、燃焼室に臨んで装着されて、コントロールユニット５０からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う点火栓６が、各気筒に設けられている。
一方、排気通路７には、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空燃比センサ８（リッチ・リーン出力する酸素センサであっても良いし、空燃比をリニアに広域に亘って検出する広域空燃比センサであってもよい）が設けられ、その下流側には、排気を浄化するための排気浄化触媒９が介装されている。なお、排気浄化触媒９としては、ストイキつまり理論空燃比｛λ＝１、Ａ／Ｆ（空気重量／燃料重量）・１４．７｝近傍において排気中のＣＯ，ＨＣの酸化とＮＯｘ の還元を行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中のＣＯ，ＨＣの酸化を行う酸化触媒、或いは理論空燃比近傍において三元機能は発揮し、リーン空燃比において排気中のＮＯｘをトラップし、ストイキ乃至リッチ空燃比になったときにトラップしたＮＯｘを還元放出するＮＯｘトラップ触媒等を用いることができる。
【００２６】
更に、前記排気浄化触媒９の排気下流側には、排気中の特定成分（例えば、酸素）濃度を検出し、リッチ・リーン出力する下流側酸素センサ１０が設けられるようになっている。
ここでは、下流側酸素センサ１０の検出値により、空燃比センサ８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８の劣化等に伴う制御誤差を抑制する等のために（所謂ダブル空燃比センサシステム採用のために）、前記下流側酸素センサ１０を設けて構成したが、空燃比センサ８の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行わせるだけで良い場合には、かかる下流側酸素センサ１０は省略することができるものである。また、空燃比フィードバック制御を行わない場合には、空燃比センサ８と下流側酸素センサ１０を共に省略することができるものである。
【００２７】
ところで、空燃比センサ８は、排気浄化触媒９の排気上流側に設けられ、かつ熱容量も小さいので、排気浄化触媒９に比べれば、活性化速度は極めて速い。また、空燃比センサ８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（排気浄化触媒９の暖機過程中）に、当該空燃比センサ８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】
そこで、本実施の形態では、始動後直ちに空燃比センサ８を活性化させて、後述する成層ストイキ燃焼時に、燃焼室全体の空燃比がストイキとなるように、空燃比センサ８の検出値に基づいて、フィードバック制御する。
また、クランク角センサ１１が備えられており、コントロールユニット５０では、該クランク角センサ１１からエンジン回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントして、又は、クランク基準角信号の周期を計測してエンジン回転速度Ｎｅを検出できるようになっている。
【００２９】
そして、エンジン１の冷却ジャケットに臨んで設けられ、冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１２が設けられている。
更に、前記スロットル弁４の開度を検出するスロットルセンサ１３（アイドルスイッチとしても機能させることができる）が設けられている。
ところで、本実施形態においては、前記スロットル弁４の開度を、ＤＣモータ等のアクチュエータにより制御することができるスロットル弁制御装置１４が備えられている。
【００３０】
当該スロットル弁制御装置１４は、アクセル開度等に基づき演算される要求トルクを達成できるように、コントロールユニット５０からの駆動信号に基づき、スロットル弁４の開度を電子制御するものとして構成することができる。
前記各種センサ類からの検出信号は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなるコントロールユニット５０へ入力され、当該コントロールユニット５０は、前記センサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、前記スロットル弁制御装置１４を介してスロットル弁４の開度を制御し、前記燃料噴射弁５を駆動して燃料噴射量 (燃料供給量) を制御し、点火時期を設定して該点火時期で前記点火栓６を点火させる制御を行う。
【００３１】
なお、例えば、所定運転状態（低・中負荷領域など）で燃焼室内に圧縮行程で燃料噴射して、燃焼室内の点火栓６周辺に可燃混合気を層状に形成して成層燃焼を行うことができる一方、他の運転状態（高負荷領域など）では燃焼室内に吸気行程で燃料噴射して、シリンダ全体に略均質な混合比の混合気を形成して均質燃焼を行うことができるように、燃料噴射時期（噴射タイミング）についても、運転状態などに応じて変更可能に構成されている。
【００３２】
また、コントロールユニット５０は、始動開始から排気浄化触媒９が活性化するまでの間における大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、排気浄化触媒９の早期活性化を図るようにするために、キースイッチ１６など各種センサからの入力信号を受け、例えば、以下のような制御を行うようになっている。
具体的には、例えば、図２に示すようなフローチャートを実行するようになっている。
【００３３】
ステップ（図では、Ｓと記してある。以下、同様）１では、従来同様の手法により、キースイッチ１６のイグニッション信号がＯＮとなったか（キー位置がイグニションＯＮ位置とされたか）否かを判断する。ＹＥＳであればステップ２へ進み、ＮＯであれば本フローを終了する。
ステップ２では、従来同様の手法により、キースイッチ１６のスタート信号がＯＮとなったか（キー位置がスタート位置とされたか）否かを判断する。即ち、スターターモータ（図示せず）によるクランキング要求があるか否かを判断する。
【００３４】
ＹＥＳであれば、始動クランキング要求があるとしてステップ３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、ステップ１へリターンする。
ステップ３では、従来同様に、スターターモータの駆動を開始して、エンジン１をクランキングする。
ステップ４では、従来同様に、始動のための燃料噴射｛吸気行程での直接燃料噴射、図３（Ｂ）参照｝を行わせて、エンジン１の運転（直噴均質燃焼）を行わせる。
【００３５】
次のステップ５では、排気浄化触媒９が活性化していないか否かを判断する。当該判断は、該触媒９の温度を、センサを設けて検出し、あるいは、エンジンの運転履歴から該触媒９の温度を推定して、判断することができる。
触媒が活性化していなければ（ＹＥＳであれば）、ステップ６へ進む。
一方、触媒が活性化していれば（ＮＯ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ステップ１３へ進み、点火時期切換制御を行いつつ均質燃焼に切り換える。
【００３６】
ステップ６では、前記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、下記▲１▼、▲２▼の条件が共に成立しているとき、成層ストイキ燃焼が許可される。
▲１▼空燃比センサ８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）。
【００３７】
▲２▼アイドルスイッチがＯＮであること。
そして、前記成層ストイキ燃焼の許可条件が成立したと判定された場合は、後述する触媒活性化促進等のための成層ストイキ燃焼を行わせても良好な着火性・燃焼性延いてはエンジン安定性（エンジン運転性）等が得られるとして、ステップ７へ進む。
【００３８】
一方、ＮＯの場合には、後述する触媒活性化促進のための成層ストイキ燃焼を行わせると、燃焼安定性延いてはエンジン安定性（エンジン運転性）等が低下するおそれがあるとして、成層ストイキ燃焼への移行を禁止して、吸気行程での直接燃料噴射（直噴均質燃焼）を継続すべく、ステップ４へリターンする。
ステップ７では、前記均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換えに応じた点火時期制御を行いつつ成層ストイキ燃焼へ切り換える。
【００３９】
前記点火時期制御の概要を説明すると、まず、均質燃焼における点火時期［ＭＢＴ（最大トルク発生点火時期）］を徐々に遅角して均質燃焼時の発生トルクを徐々に低下させ、成層ストイキ燃焼に適合した目標遅角点火時期まで遅角した後、
成層ストイキ燃焼に切り換えると同時に、点火時期を前記遅角補正分一気に進角補正して燃焼切り換え時のトルク段差を解消する。その後、前記目標遅角点火時期まで徐々に遅角する。
【００４０】
そして、成層ストイキ燃焼への移行が終了すると、ステップ８で、成層ストイキ燃焼が継続される。
成層ストイキ燃焼は、具体的には、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｛略ストイキ（理論空燃比）を達成するのに必要な燃料重量｝のうち、例えば略５０％乃至略９０％の燃料重量を、吸気行程で燃焼室内に噴射供給し、燃焼室内全体にストイキよりも比較的リーン（希薄）な均質混合気を形成すると共に｛図３（Ｂ）に示す燃料噴射により形成する｝、残りの略５０％乃至略１０％の燃料重量を、圧縮行程で燃焼室内に噴射供給し、点火栓６周りにストイキよりも比較的リッチな（燃料濃度の高い）混合気を層状に形成して｛図３（Ａ）参照｝、燃焼させる（図４参照）。ただし、点火栓６周りの混合気はストイキとしてもよい。
【００４１】
なお、当該成層ストイキ燃焼形態は、吸気行程中に燃焼室内に（本実施形態では吸気行程噴射により）形成されるストイキよりもリーンな混合気の空燃比を１６〜２８とし、圧縮行程中の燃料噴射により点火栓周りに形成されるストイキよりもリッチな混合気の空燃比が９〜１３となるように、吸気行程中の燃料噴射量と、圧縮行程中の燃料噴射量と、の分担率を設定するようにしても良い。
【００４２】
また、各混合気層の空燃比を上記のような範囲としておけば、燃焼室内の平均空燃比を理論空燃比から多少ずれた空燃比（例えば、１３．８〜１８の範囲）に設定しても良い。
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、燃焼室から排気通路に排出される未燃ＨＣ量を減少させることができる。
【００４３】
即ち、成層ストイキ燃焼によれば、従来の燃焼形態｛均質燃焼だけ、成層燃焼だけ、或いは、これらに対し更に追加燃料を燃焼後期以降（膨張行程以降や排気行程中）に噴射する燃焼形態など｝で暖機を行わせる場合に比べて、始動開始から排気浄化触媒９が活性化するまでの間における大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、排気浄化触媒９の早期活性化を格段に促進できることになる。
【００４４】
図２に戻って、上記のようにして成層ストイキ燃焼への切換後、ステップ９で加速されたか否かを判定する。
加速されたと判定された場合は、ステップ１０へ進み点火時期切換制御を行った後、ステップ１１で均質燃焼に切り換える。
また、ステップ９で加速されていないと判定されたときは、ステップ１２で排気浄化触媒９が活性したかを判定し、活性していない場合はステップ８へ戻って成層ストイキ燃焼を継続するが、活性したと判定された場合はステップ１３へ進んで点火時期切換制御を行いつつ均質燃焼に切り換える。
【００４５】
前記ステップ９で加速されたと判定されたときの、ステップ１０での均質燃焼への移行に際して行う本発明に係る点火時期切換制御を図５に示したフローチャートに従って説明する。
図５は、該点火時期切換制御ルーチンのフローチャートである。
ステップ２１では、均質(ストイキ)燃焼が許可されている（図２のステップ９で加速と判定されて均質燃焼の切換要求が発生した）か否かを判定する。
【００４６】
そして、均質燃焼が許可されているとき、つまり、成層ストイキ燃焼から加速操作によって均質燃焼への切換要求が発生しているときには、ステップ２２へ進み、均質燃焼への切換に見合った点火時期の進角補正制御を開始する。このとき、前記遅角割合の初期値は100％に設定されている。
即ち、成層ストイキ燃焼から均質燃焼に切り換える場合は、成層ストイキ燃焼での点火時期をエンジン安定限界内で最大限遅角させている。該遅角された成層ストイキ燃焼での点火時期から、均質燃焼に適合した点火時期であるＭＢＴ（最大トルク発生点火時期）まで、進角補正して燃焼切り換えによるトルク段差の発生を抑制する。
【００４７】
ステップ２３では、遅角量を算出する。すなわち、最終的な燃焼切り換え時の目標点火時期であるＭＢＴからの遅角量によって点火時期制御を制御するので、該遅角量を算出する。
該遅角量の算出を、図６に示したサブルーチンのフローチャートにしたがって説明する。
【００４８】
ステップ３１では、スロットル弁開度ＴＶＯによる遅角補正率ｐを算出する。この遅角補正率ｐは、前記ＭＢＴに対する燃焼切り換え要求発生時の点火時期の遅角量に乗じられる補正係数として設定され、スロットル弁開度ＴＶＯの増大に応じてＭＢＴからの遅角量を減少させ、つまり進角補正量を大きくさせてＭＢＴに近づけるように設定される。具体的には、図７に示すように、スロットル弁開度ＴＶＯが第１の所定開度Ａ以下のときはｐ＝１で一定、第１の所定開度Ａより大きく第２の所定開度Ｂ未満のときは、ＴＶＯの増大に応じてｐは１から０まで漸減して設定され、第２の所定開度Ｂ以上でｐ＝０で一定となるように設定されている。
【００４９】
ステップ３２では、スロットル弁開度ＴＶＯの変化速度ΔＴＶＯによる遅角割合のデクリメント量ｑを算出する。該デクリメント量ｑは、現在の点火時期から均質燃焼でのＭＢＴに達するまでの単位時間あたりの進角補正割合として設定されるものであり、変化速度ΔＴＶＯが大きいときほど大きい値、つまり短時間でＭＢＴに達するように設定される。具体的には、図８に示すように、変化速度ΔＴＶＯが第１の所定速度Ｃ以下のときはｑ＝最小値で一定、第１の所定速度Ｃより大きく第２の所定速度Ｄ未満のときは、ΔＴＶＯの増大に応じてｑは最小値から最大値まで漸増して設定され、第２の所定速度Ｄ以上でｑ＝最大値で一定となるように設定されている。
【００５０】
ステップ３３では、前記算出されたデクリメント量ｑを、現在の遅角割合からデクリメントして遅角割合を更新する。これにより、遅角割合は、このルーチンの実行周期毎にｑずつ減少していく。
ステップ３４では、次式によってＭＢＴに対する遅角量を算出する。
遅角量＝（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）×ｐ×遅角割合
ここで、目標遅角点火時期は、均質燃焼への切り換え要求発生時における成層ストイキ燃焼での点火時期であり、該目標遅角点火時期のＭＢＴに対する遅角量である（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）に前記逐次のスロットル弁開度ＴＶＯに応じた遅角補正率ｐが乗じられ、かつ、このルーチンの実行周期毎に前記デクリメント量ｑずつ減算される遅角割合が乗じられる。
【００５１】
このようにして遅角量を算出した後、図５のステップ２４に戻って、燃焼切り換え前の点火時期を次式のように算出する。
点火時期＝ＭＢＴ−遅角量
ステップ２５では、ステップ２４で算出された点火時期がＭＢＴまで進角したか（遅角量＝０か）を判定する。
【００５２】
そして、ＭＢＴに達するまでは、ステップ２３に戻って遅角量を算出更新しつつステップ２４で設定された点火時期に制御する。
このようにして、ＭＢＴに近づける点火時期の進角補正を行いつつ、点火時期がＭＢＴに達したと判定されたときに、ステップ２６に進んで燃焼の切り換えを行う。具体的には、燃料噴射を吸気行程での１回噴射に切り換えると共に、スワールコントロールバルブ２１を全開として吸入空気量を確保しつつ燃焼室全体に均質な混合気を形成して均質燃焼を行わせる。
【００５３】
その後は、ステップ２７に進んでエンジンの回転速度、負荷等の運転状態に基づいて、マップから参照した点火時期を設定し、該設定された点火時期に制御する。
上記制御の様子を、図９に示す。
加速時のアクセル操作により、スロットル弁開度ＴＶＯが図に実線で示すように低開度から全開まで所定の変化速度ΔＴＶＯ１で増大する場合、ＴＶＯが前記第１の所定開度Ａに達する（図示Ｙ）までは、成層ストイキ燃焼時における燃焼切り換え要求発生時の点火時期からΔＴＶＯ１により設定される遅角割合のデクリメント量ｑによって時間あたり所定の割合で進角されていく。
【００５４】
ＴＶＯが前記第１の所定開度Ａ以上になってからは、増大するＴＶＯに応じて前記遅角補正率ｐが減少することによって進角補正されるので、進角補正割合が増大し、ＴＶＯが第２の所定開度Ｂになったとき（図示Ｚ）には、遅角補正率ｐ＝０となってＭＢＴに達する。
また、図示一点鎖線に示すように、より大きな変化速度ΔＴＶＯ２での急加速時は、ΔＴＶＯの増大に応じて遅角割合のデクリメント量ｑが大きい値に設定され、また、ＴＶＯが第２の所定開度Ｂに達する時間も短いので、点火時期も立ち上がりから速やかに大きな割合で進角補正されより短時間でＭＢＴに達する特性となる。
【００５５】
図示点線は、従来の遅角割合のデクリメント量ｑを一定とし、遅角補正率ｐによる補正を行わない場合（ｐ＝１）を示したもので、ＴＶＯ、ΔＴＶＯによらず点火時期がＹ’でＭＢＴに達して均質燃焼に切り換えるのに時間を要し、加速レスポンスを満たせない。
これに対し、本実施形態では、ＴＶＯ、ΔＴＶＯに応じて加速の要求に見合った補正割合で均質燃焼の要求点火時期であるＭＢＴに到達させることができるので、トルク段差の発生を抑制しつつ速やかにスワールコントロールバルブを開動作と共に均質燃焼へ切り換えることができ、エンジンレスポンスひいては運転性が向上する。
【００５６】
なお、従来は、加速によって成層ストイキ燃焼から均質燃焼に切り換える場合でも、燃焼切り換えと同時に該切り換え時のトルク段差を完全に無くすように一旦所定量ステップ的に遅角してから再度ＭＢＴに徐々に近づける点火時期制御としてきたため、均質燃焼でＭＢＴに達するのは更に遅れることとなっていた（図示Ｚ’）。しかし、加速時は燃焼切り換えによってトルクアップを生じても加速要求に見合っているためトルク段差として感じにくく、速やかに要求点火時期（ＭＢＴ）に切り換えて最大の出力を確保する方が、要求に適っていると考えられるので、燃焼切り換え後も遅角補正することなく直ちに均質燃焼での要求点火時期ＭＢＴに制御することとした。ただし、図２のステップ１２で触媒９が活性されたと判断されたときにステップ１３で成層ストイキ燃焼から均質燃焼に切り換えるときは、均質燃焼への切り換えと同時に一旦所定量ステップ的に遅角して、燃焼切り換え時のトルクショックを完全に解消してから再度ＭＢＴに徐々に近づける点火時期制御とする。
【００５７】
また、本実施形態において、急加速時にΔＴＶＯに対する遅角量のデクリメント量ｑを十分大きくした場合には、それによって遅角割合が０に達する方が、スロットル弁開度ＴＶＯが第２の所定開度Ｂに達するより早くなるようにすることも可能であり、ΔＴＶＯに応じてより速やかに燃焼の切り換えが行われる。
また、前記ステップ２３での遅角割合の算出を、次式で行うようにしてもよい。
【００５８】
遅角割合＝遅角割合−ｑ／ｐ
この式では、ΔＴＶＯに応じた単位時間あたりの進角補正量が、遅角補正率ｐの大きさに影響されないので、より速やかにＭＢＴに達成する特性となる。どちらの式を選択するかは、エンジン特性を考慮して、適宜決めればよい。
また、本実施形態では、ＴＶＯとΔＴＶＯの双方に対して進角補正割合を可変制御するものを示したが、ＴＶＯとΔＴＶＯの一方のみに対して進角補正割合を可変制御する構成としてもよい。すなわち、前記遅角補正率ｐをＴＶＯに応じて可変に制御するだけの構成とし、あるいは、遅角割合のデクリメント量をΔＴＶＯに応じて可変に制御するだけの構成としてもよい。
【００５９】
また、本実施形態では、アクセル開度に相当する量としてスロットル弁開度を検出するようにしたので、実際の吸気特性に見合った点火時期制御を行えるが、アクセル開度の検出値を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るシステム構成図。
【図２】同上実施形態における全体制御のフローチャート。
【図３】（Ａ）は、直噴圧縮行程噴射を説明するための模式図。（Ｂ）は、直噴吸気行程噴射を説明するための模式図。（Ｃ）は、燃料噴射時の平面図。
【図４】成層ストイキ燃焼形態の燃焼室内における混合気の形成状態を説明するための図。
【図５】同上実施形態において成層ストイキ燃焼から均質燃焼へ切り換える時の燃焼切換時の制御を説明するためのフローチャート。
【図６】上記制御における遅角量算出のサブルーチンを示すフローチャート。
【図７】上記制御におけるスロットル弁開度ＴＶＯに対する遅角補正率ｐの特性を示す図。
【図８】上記制御におけるスロットル弁開度変化速度ΔＴＶＯに対する遅角割合のデクリメント量ｑの特性を示す図。
【図９】上記制御時の様子を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１ エンジン
４ スロットル弁
５ 燃料噴射弁
６ 点火栓
７ 排気通路
８ 空燃比センサ
９ 排気浄化触媒
21 スワールコントロールバルブ
50 コントロールユニット
Claims (8)
- エンジン運転状態に応じて、燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼させる均質燃焼と、点火栓周りに空燃比がストイキもしくはストイキよりリッチな混合気を形成し、その外側にストイキよりリーンな混合気を形成して燃焼させる成層ストイキ燃焼と、を切り換えるエンジンにおいて、
前記燃焼切り換え要求の発生後、点火時期を切り換え後の燃焼に見合った目標点火時期まで補正してから燃焼切り換えを行い、かつ、該点火時期の補正割合をアクセル開度の変化速度に応じて可変に制御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。 - エンジン運転状態に応じて、燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼させる均質燃焼と、点火栓周りに空燃比がストイキもしくはストイキよりリッチな混合気を形成し、その外側にストイキよりリーンな混合気を形成して燃焼させる成層ストイキ燃焼と、を切り換えるエンジンにおいて、
前記燃焼切り換え要求の発生後、点火時期を切り換え後の燃焼に見合った目標点火時期まで補正してから燃焼切り換えを行い、かつ、該点火時期の補正割合をアクセル開度とアクセル開度の変化速度とに応じて可変に制御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。 - 前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時、点火時期を前記目標点火時期に近づける進角方向の補正割合を、アクセル開度が大きいときに大きくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。
- 前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時、アクセル開度が所定開度以上で目標点火時期への切り換えが完了するように前記進角方向の補正割合を設定することを特徴とする請求項３に記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。
- 前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時、点火時期を前記目標点火時期に近づける単位時間あたりの進角方向の補正割合を、アクセル開度の増大速度が大きいときに大きくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。
- 前記成層ストイキ燃焼用の混合気形成を促進する吸気流動制御弁を備え、前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換えと同時に前記流動制御弁を閉から開に切り換えることを特徴とする請求項１〜請求項５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。
- 前記成層ストイキ燃焼時は、吸気行程中の燃焼噴射により燃焼室全体にリーンな混合気を形成し、圧縮行程中の燃料噴射により点火栓周りに空燃比がストイキもしくはストイキよりリッチな混合気を形成することを特徴とする請求項１〜請求項６にいずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃エンジンの制御装置。
- 前記アクセル開度を、スロットル開度によって検出す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。
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