JP4000926B2 - 直噴火花点火式エンジンの制御装置及び制御方法 - Google Patents

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及び制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術として、特開２０００−７３８２０号公報に記載されているものがある。
これは、直噴火花点火式エンジンにおいて、排気浄化触媒が未暖機状態にあるときに、燃料噴射を２回に分割して、吸気行程での早期噴射と、圧縮行程での後期噴射とを実行する一方、触媒未暖機状態において、エンジン温度が所定温度より高くなった場合、エンジン温度が所定温度以下の場合と比べ、後期噴射（圧縮行程噴射）を遅角する。
【０００３】
これにより、触媒未暖機時にエンジンからのＨＣ等の排出量を低減し、かつ、排気温度を上昇させて触媒の暖機を促進し、特に触媒未暖機状態のうちでもエンジンの温度状態に応じて燃焼状態を調整することにより、燃焼安定性を確保しつつエミッション改善及び暖機促進の効果を高めるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術は、燃焼安定性を確保しつつ排気温度を上昇させる作用を得るために、触媒未暖機時にエンジン温度上昇に伴って後期噴射（圧縮行程噴射）を遅角しているが、スモークに着目したものではなく、このように遅角するとスモークが増大してしまう。
【０００５】
本発明の課題は、排気浄化触媒の暖機要求時に、排気温度上昇効果、燃焼安定性、ＨＣ性能、及びスモーク性能を総合的に勘案して、より良い制御を実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、排気浄化触媒の暖機要求時に、燃料噴射を分割して、点火時期までに早期噴射と後期噴射とを行い、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど後期噴射の噴射時期を進角する。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、エンジン温度による効果最大の噴射時期を設定することで、燃焼安定性を確保しつつエミッション改善及び暖機促進の効果を高めることができ、特にスモーク性能を大幅に改善できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態のシステム構成を示しており、先ずこれについて説明する。
エンジン１の吸気通路２には、吸入空気量を制御するスロットル弁３が設けられている。スロットル弁３はＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ４により駆動される電制スロットル弁であり、コントロールユニット２０からの駆動信号に基づいてスロットル開度が制御される。
【０００９】
エンジン１のシリンダヘッド５とピストン６とにより画成される各気筒の燃焼室７には、燃料噴射弁８が臨んでいる。尚、ピストン６の冠面には吸気側に偏心した位置にボウル部（凹部）６ａが形成されており、燃料噴射弁８は吸気側から斜め下方にボウル部６ａを指向している。
燃料噴射弁８は、吸気行程又は圧縮行程の所定時期において、コントロールユニット２０からの噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定の圧力に制御された燃料を燃焼室７内に直接噴射する。
【００１０】
また、各気筒の燃焼室７に、シリンダヘッド５の略中央から、臨ませて、点火プラグ９が設けられ、点火プラグ９はコントロールユニット２０からの点火信号に基づいて混合気に対して火花点火を行う。
燃料噴射弁８から吸気行程にて燃料噴射される場合、噴射された燃料は、燃焼室７内に拡散して均質な混合気を形成し、点火プラグ９により点火されて燃焼する。かかる燃焼を均質燃焼といい、空燃比制御との組み合わせで、均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼などに分けられる。
【００１１】
燃料噴射弁８から圧縮行程（特にその後半）にて燃料噴射される場合、噴射された燃料は、ピストン冠面のボウル部６ａを利用したタンブル流に乗るなどして、点火プラグ９周りに集中的に層状の混合気を形成し、点火プラグ９により点火されて燃焼する。かかる燃焼を成層燃焼といい、通常、空燃比は極リーンで、成層リーン燃焼と呼ばれる。
【００１２】
燃料噴射弁８への燃料供給系について説明すると、燃料タンク１０内の燃料は電動式の低圧燃料ポンプ１１によって吸入され、この低圧燃料ポンプ１１から吐出された低圧燃料はエンジン駆動される高圧燃料ポンプ１２に供給される。
低圧燃料ポンプ１１から吐出されて高圧燃料ポンプ１２に供給される燃料の圧力は、燃料タンク１０に戻るリターン通路に介装された低圧プレッシャレギュレータ１３によって所定の低圧に調整される。
【００１３】
高圧燃料ポンプ１２から吐出された高圧燃料は、燃料噴射弁８に供給され、その燃料圧力は、高圧燃料ポンプ１２の吸入側に戻るリターン通路に介装された高圧プレッシャレギュレータ１４によって所定の高圧に調整される。
高圧プレッシャレギュレータ１４は、コントロールユニット２０からの制御信号に基づいて、リターン通路の開口面積を連続的に変化させることができ、これにより燃料噴射弁８への燃料圧力を任意に制御可能である。
【００１４】
一方、排気通路１５には、排気浄化触媒１６が配置されている。排気浄化触媒１６としては、ストイキ近傍において排気中のＣＯ、ＨＣの酸化とＮＯｘの還元とを行う三元触媒、或いは排気中のＣＯ、ＨＣの酸化を行う酸化触媒、或いはストイキ近傍において三元機能を発揮し、リーン状態において排気中のＮＯｘをトラップし、ストイキ〜リッチ状態になったときにトラップしたＮＯｘを還元浄化するＮＯｘトラップ触媒等を用いることができる。
【００１５】
コントロールユニット２０には、エンジンの制御のため、各種センサから信号が入力されている。
クランク角センサ２１は、エンジン回転と同期してクランク基準角信号及びクランク単位角信号を発生する。コントロールユニット２０では、クランク角センサ２１からのクランク基準角信号の周期を計測して、又はクランク単位角信号を一定時間カウントして、エンジン回転数Ｎｅを検出できる。
【００１６】
アクセルペダルセンサ２２は、運転者のアクセルペダル操作量（アクセル開度）ＡＰＯを検出する。
エアフローメータ２３は、吸気通路２のスロットル弁３上流に配置され、吸入空気量Ｑａを検出する。
スロットルセンサ２４は、スロットル弁３の開度ＴＶＯを検出する。また、スロットル弁３の全閉位置でＯＮとなるアイドルスイッチも内蔵している。
【００１７】
水温センサ２５は、エンジン１のウォータジャケットに臨んで、冷却水温度（水温）Ｔｗを検出する。
燃圧センサ２６は、高圧燃料ポンプ１２から燃料噴射弁８への燃料供給通路に配置され、燃料噴射弁８への燃料圧力（燃圧）Ｐｆを検出する。
空燃比センサ２７は、排気通路１５の排気浄化触媒１６の上流側に配置され、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もので、空燃比フィードバック制御に用いられる。
【００１８】
更に排気浄化触媒１６の下流側にも、空燃比センサ２８が配置されている。下流側空燃比センサ２８は、その検出値に基づいて、空燃比センサ２７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２７の劣化等に伴う制御誤差を抑制する等のために用いられる。
コントロールユニット２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出カインターフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、前記各種センサからの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、スロットルアクチュエータ４を介してスロットル弁３の開度を制御し、高圧プレッシャレギュレータ１４を制御して燃料噴射弁８への燃料圧力を制御し、燃料噴射時期及び燃料噴射量を設定して燃料噴射弁８の燃料噴射を制御し、点火時期を設定して該点火時期で点火プラグ９を点火させる制御を行う。
【００１９】
そして、運転状態に応じて、燃焼形態の制御を行う。すなわち、通常運転時（排気浄化触媒１６の暖機完了後）には、例えば低負荷領域において、圧縮行程噴射による成層リーン燃焼を行わせる一方、例えば高負荷領域において、吸気行程噴射による均質ストイキ燃焼又は均質リーン燃焼を行わせる。
ここにおいて、本発明では、始動直後の排気浄化触媒１６の暖機要求時に、燃料噴射を分割して、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とを行うことにより、点火プラグ９周りに比較的リッチな層状の混合気を形成し、これを囲む燃焼室７全体に比較的リーンな混合気を形成し、全体の空燃比は略ストイキとするように制御する。かかる燃焼形態をここでは成層ストイキ燃焼（分割噴射による成層ストイキ燃焼）という。
【００２０】
成層燃焼では、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（ストイキ空燃比を達成するのに必要な燃料重量）のうち、例えば略５０〜９０％の燃料重量を、図２（Ａ）に示すように、吸気行程で噴射し、燃焼室全体にストイキよりもリーンな混合気を形成する。そして、残りの略５０〜１０％の燃料重量を、図２（Ｂ）に示すように、圧縮行程後半で噴射し、点火栓９周りにストイキよりもリッチな混合気を層状に形成して、燃焼させる。
【００２１】
成層ストイキ燃焼のコンセプトは、次のようである。
（１）吸気行程噴射により燃焼室壁面近傍にリーン混合気を形成し、後燃えに必要なＯ2 を確保する。
（２）圧縮行程噴射により点火プラグ周りにリッチ混合気を形成し、初期着火性能を向上させることで、燃焼安定性を向上させる。
（３）リッチ混合気の燃焼によりＣＯを生成し、燃焼室壁面近傍のリーン混合気中のＯ2 との後燃えを促進して、ＨＣ低減、排気温度上昇を図る。
（４）初期着火性能の向上等により点火時期を遅角化可能であり、点火時期の遅角により、後燃え効果による排気温度上昇を更に図る。
【００２２】
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７から排気通路１０に排出されるＨＣ、ＮＯｘの量を減少させることができる。従って、始動開始から排気浄化触媒１６が活性化するまでの間における大気中へのＨＣ、ＮＯｘの排出を抑制しながら、排気浄化触媒１６の早期活性化を促進できる。
【００２３】
このため、コントロールユニット２０では、始動開始から排気浄化触媒１６が活性化するまでの間（触媒暖機要求時）において、キースイッチ３０の他、前記各種センサからの入力信号を受け、図３及び図４のフローチャートに示すような制御を行う。
図３は始動時燃焼制御のフローチャートである。
【００２４】
Ｓ１では、キースイッチ３０のイグニッション信号がＯＮとなったか（キー位置がイグニッションＯＮ位置とされたか）否かを判断する。ＹＥＳであれば、Ｓ２へ進み、ＮＯであれば、本フローを終了する。
Ｓ２では、キースイッチ３０のスタート信号がＯＮとなったか（キー位置がＳＴＡＲＴ位置とされたか）否かを判断する。ＹＥＳであれば、始動のためのクランキング要求があると判断して、Ｓ３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、Ｓ１ヘ戻る。
【００２５】
Ｓ３では、始動のため、従来同様に、スタータモータの駆動を開始して、エンジンをクランキングする。
Ｓ４では、始動のため、従来同様に、吸気行程噴射による均質燃焼（均質ストイキ燃焼）を行わせる。
Ｓ５では、排気浄化触媒１６が活性化しているか否かを判断する。当該判断は、排気通路１５の排気浄化触媒１６下流側に配置される空燃比センサ２８が活性化したか（そのリッチ・リーン出力が反転したか）否かによって行うことができる。もちろん、排気浄化触媒１６の温度を直接或いは排気温度から間接的に検出して、これに基づいて判断するようにしてもよい。又は、水温Ｔｗより排気浄化触媒１６の温度を推定し、これに基づいて判断するようにしてもよい。
【００２６】
排気浄化触媒１６が活性化していなければ（ＮＯであれば）、Ｓ６へ進む。一方、排気浄化触媒１６が活性化していれば（ＹＥＳ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、Ｓ８へ進み、燃費改善等のために、従来同様の通常の燃焼制御により、運転状態に応じた燃焼形態（均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼、成層リーン燃焼など）で燃焼を行わせて、本フローを終了する。
【００２７】
Ｓ６では、触媒活性化促進のための分割噴射による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、例えば、下記（１）〜（３）の条件が全て成立しているとき、成層ストイキ燃焼が許可される。
（１）空燃比センサ２７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）。成層ストイキ燃焼中に空燃比フィードバック制御を行う場合に必要である。尚、空燃比センサ２７は、触媒１６の上流側に設けられ、かつ熱容量も小さいので、触媒１６に比べれば、活性化速度は極めて速い。また、空燃比センサ２７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（触媒１６の暖機過程中）に、当該空燃比センサ２７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】
（２）アイドル状態であること。具体的には、アイドルスイッチがＯＮで、エンジン回転数Ｎｅ、吸入空気量Ｑａがそれぞれ予め定めた上限値〜下限値の範囲内にあることを確認する。
（３）水温Ｔｗが所定値以上であること。水温Ｔｗが所定値未満の極低温状態では、ピストン冠面温度が低く、当該ピストン冠面を利用した成層混合気の霧化・気化促進などが良好に行われなくなるからである。
【００２９】
成層ストイキ燃焼の許可条件が成立していない場合は、分割噴射による成層ストイキ燃焼への移行を禁止し、吸気行程噴射による均質燃焼を継続すべく、Ｓ４へ戻る。
成層ストイキ燃焼の許可条件が成立している場合は、Ｓ７へ進む。
Ｓ７では、分割噴射による成層ストイキ燃焼を行わせて、排気浄化触媒１６の早期活性化を促進する。ここでの詳細な制御は、均質燃焼→成層ストイキ燃焼への切換時制御、暖機完了後の成層ストイキ燃焼→均質燃焼への切換時制御も含め、後述する図４のフローチャートに従って行われる。
【００３０】
このような成層ストイキ燃焼中、排気浄化触媒１６が活性化したか否かを判断していて（図４のフローのＳ２２）、活性化していなければ、成層ストイキ燃焼を継続するが、活性化していれば、成層ストイキ燃焼を終了してＳ８へ進む。
Ｓ８では、通常の燃焼制御として、運転状態に応じた燃焼形態（均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼、成層リーン燃焼など）へ移行させた後、本フローを終了する。
【００３１】
図４は成層ストイキ燃焼制御のフローチャートであり、図３のフローのＳ７にて実行される。
Ｓ１１では、均質燃焼→成層ストイキ燃焼への切換えに先立ち、燃料噴射弁８への燃料圧力（燃圧）を成層ストイキ燃焼を行うのに要求される燃圧に切換える制御を行う（図１１のａ参照）。成層ストイキ燃焼では吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料噴射するので、各噴射のパルス幅が燃料噴射量に対してリニアリティを確保できる大きさ以上となるように、１回で噴射する場合に比較して燃圧を低下させるように切換制御する。
【００３２】
具体的には、燃圧センサ２６により検出される実際の燃圧と、目標燃圧とを比較しつつ、高圧プレッシャレギュレータ１４への開弁デューティをフィードバック制御しているので、目標燃圧を予め定めた低圧側の値に変更することで、開弁デューティを増大させ、リターン流量を増大させて、燃圧を低下させる。そして、実際の燃圧が目標燃圧に達して安定した後に、Ｓ１２へ進む。
【００３３】
Ｓ１２では、点火時期を徐々に遅角する（図１１のｂ参照）。
均質燃焼から成層ストイキ燃焼に切換える場合は、熱効率が低い成層ストイキ燃焼への切換時のトルク低下を無くすためにトルクを増大補正する必要があるが、現在の均質燃焼では、点火時期は、所定の燃費（或いはエンジン安定性）を達成できるように、ＭＢＴ（最大トルク発生点火時期）に制御されているので、そのままではトルクを増大補正するための点火時期の進角補正代がない。
【００３４】
そこで、先ず、Ｓ１２で、燃焼切換時のトルク増大補正が可能な進角補正代を確保できるまで点火時期を徐々に遅角する。詳細には、エンジン回転数及び負荷などに基づいて、進角補正代を確保できる目標遅角点火時期をマップからの検索等で算出し、この目標遅角点火時期となるまで所定の遅角割合で徐々に遅角していく。
【００３５】
Ｓ１３では、点火時期が目標遅角点火時期に到達したか否かを判定し、到達していない場合は、Ｓ１２へ戻って点火時期を更に遅角する。この結果、目標遅角点火時期に到達した場合は、均質燃焼から成層ストイキ燃焼に切換えるため、Ｓ１３からＳ１４へ進む。
Ｓ１４では、成層ストイキ燃焼での圧縮行程噴射時期をエンジン温度に相関するパラメータである水温Ｔｗに応じ、水温Ｔｗが高いほど進角するように設定する（例えば６０°ＢＴＤＣ〜７０°ＢＴＤＣの範囲）。尚、吸気行程噴射時期は一定とする（例えば５０°ＡＴＤＣ）。
【００３６】
具体的には、図５のフローチャートに示すように、Ｓ１０１で図６のマップを参照してエンジン回転数と噴射パルス幅とから成層ストイキ燃焼用の基本圧縮行程噴射時期（基本ＩＴ；圧縮ＴＤＣからの進角値）を設定し、Ｓ１０２で図７のテーブルを参照して水温Ｔｗより基本ＩＴに対する進角側への補正値（ΔＩＴ）を設定し、Ｓ１０３で基本ＩＴにΔＩＴを加算して、成層ストイキ燃焼用の圧縮行程噴射時期（ＩＴ＝基本ＩＴ＋ΔＩＴ）を算出する。
【００３７】
Ｓ１５では、通常の燃料噴射（吸気行程噴射のみ）から、吸気行程噴射と圧縮行程噴射との分割噴射に切換え、圧縮行程噴射についてはＳ１４で設定した時期に行うことで、成層ストイキ燃焼を開始する（図１１のｃ参照）。
Ｓ１６では、成層ストイキ燃焼への切換えと同時に、点火時期を一気に進角させて（遅角補正分を０として）、点火時期を遅角補正開始前のＭＢＴに戻す（図１１のｃ参照）。これにより、燃焼切換時のトルク段差の発生を解消して、安定した運転性を確保する。
【００３８】
Ｓ１７では、成層ストイキ燃焼での最適な点火時期（目標値）をエンジン温度に相関するパラメータである水温Ｔｗに応じ、水温Ｔｗが高いほど遅角するように設定する（例えば７°ＢＴＤＣ〜０°ＢＴＤＣの範囲）。
具体的には、図８のフローチャートに示すように、Ｓ２０１で図９のマップを参照してエンジン回転数と負荷とから成層ストイキ燃焼用の基本点火時期（基本ＡＤＶ；圧縮ＴＤＣからの進角値）を設定し、Ｓ２０２で図１０のテーブルを参照して水温Ｔｗより基本ＡＤＶに対する遅角側への補正値（ΔＡＤＶ）を設定し、Ｓ２０３で基本ＡＤＶからΔＡＤＶを減算して、成層ストイキ燃焼用の点火時期（ＡＤＶ＝基本ＡＤＶ−ΔＡＤＶ）を算出する。
【００３９】
Ｓ１８では、点火時期を徐々に遅角する（図１１のｄ参照）。すなわち、Ｓ１７にて設定した成層ストイキ燃焼での最適な点火時期（目標値）まで徐々に遅角する制御を行う。尚、成層ストイキ燃焼での最適な点火時期は、燃焼安定性、ＨＣ性能、スモーク性能などの限界内で最大限遅角するようになっており、これにより最大限排気温度を上昇させることができる。
【００４０】
このようにすれば、始動用の均質燃焼から排気温度上昇用の成層ストイキ燃焼への切換時のトルク段差を解消しながら、切換後は成層ストイキ燃焼による排気浄化触媒１６の活性化を最大限促進することができる。
Ｓ１９では、点火時期が成層ストイキ燃焼での最適な点火時期（目標値）に到達したか否かを判定し、到達していない場合は、Ｓ１８へ戻って点火時期を更に遅角する。この結果、目標遅角点火時期に到達した場合は、Ｓ１９からＳ２０へ進む。
【００４１】
Ｓ２０では、Ｓ１４と同様、図５のフローチャートに従って、成層ストイキ燃焼での圧縮行程噴射時期を暖機促進と共に徐々に上昇する水温Ｔｗに応じ、水温Ｔｗが高くなるほど進角するように再設定する（図１１のｅ参照）。
Ｓ２１では、Ｓ１７と同様、図８のフローチャートに従って、成層ストイキ燃焼での点火時期を暖機促進と共に徐々に上昇する水温Ｔｗに応じ、水温Ｔｗが高くなるほど遅角するように再設定する（図１１のｆ参照）。
【００４２】
Ｓ２２では、排気浄化触媒１６が活性化したか（暖機完了か）否かを判断する。当該判断は、図３のフローのＳ５と同様に行う。
排気浄化触媒１６が活性化していなければ（ＮＯであれば）、Ｓ２０、Ｓ２１へ戻る。従って、水温Ｔｗより圧縮行程噴射時期及び点火時期を再設定しつつ、成層ストイキ燃焼を継続する。
【００４３】
一方、排気浄化触媒１６が活性化していれば（ＹＥＳであれば）、Ｓ２３以降へ進み、成層ストイキ燃焼を終了させるべく、成層ストイキ燃焼→均質燃焼への切換時制御を開始する（図１１のｇ参照）。
Ｓ２３では、点火時期を徐々に進角する。すなわち、均質燃焼→成層ストイキ燃焼への切換時制御とは、全く逆に、燃焼切換時のトルク増大を抑制するため、燃焼切換時に点火時期を遅角制御するための遅角補正代を確保するため徐々に進角する（図１１のｈ参照）。
【００４４】
Ｓ２４では、点火時期が目標進角点火時期に到達したか否かを判定し、到達していない場合は、Ｓ２３へ戻って点火時期を更に進角する。この結果、目標進角点火時期に到達した場合は、Ｓ２４からＳ２５へ進む。
Ｓ２５では、通常の燃料噴射に対応させるため、燃料噴射弁８への燃料圧力（燃圧）を上昇させるように切換制御する（図１１のｉ参照）。具体的には、燃圧センサ２６により検出される実際の燃圧と、目標燃圧とを比較しつつ、高圧プレッシャレギュレータ１４への開弁デューティをフィードバック制御しているので、目標燃圧を予め定めた高圧の値に戻すことで、開弁デューティを減少させ、リターン流量を減少させて、燃圧を上昇させる。
【００４５】
Ｓ２６では、分割噴射を終了することで、通常の均質燃焼に切換える（図１１のｉ参照）。
Ｓ２７では、均質燃焼への切換えと同時に、点火時期を一気に遅角する（図１１のｉ参照）。これにより、燃焼切換時のトルク段差の発生を解消して、安定した運転性を確保する。
【００４６】
Ｓ２８では、点火時期を徐々に進角する（図１１のｊ参照）。すなわち、切換後の燃焼に見合ったＭＢＴまで徐々に進角する。
Ｓ２９では、点火時期がＭＢＴに到達したか否かを判定し、到達していない場合は、Ｓ２８へ戻って点火時期を更に進角する。この結果、ＭＢＴに到達した場合は、Ｓ２９からリターンする。
【００４７】
以上の均質燃焼から成層ストイキ燃焼、成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切換時の一連の制御の様子を図１１に示している。
次に本発明における成層ストイキ燃焼での燃料噴射時期（特に圧縮行程噴射時期）及び点火時期の制御について更に詳しく説明する。
成層ストイキ燃焼時の圧縮行程噴射時期ＩＴは、燃焼性能に影響を及ぼすので、従来は暖機後の成層リーン燃焼における噴射時期をベースにして、運転性、燃焼安定性を確保した上で、効果最大となるように設定行っている。
【００４８】
しかし、図１２に示すように、エンジン温度（水温）により成層ストイキ燃焼の成立可能な圧縮行程噴射時期ＩＴの範囲が変化する（Ａ１〜Ａ３）。従って、水温を無視する場合には、全ての温度範囲で成層ストイキ燃焼が成立するように極めて狭い領域内でＩＴを設定しなければならず、ＩＴ遅角による排温上昇効果を十分には達成できない。
【００４９】
従って、圧縮行程噴射時期ＩＴはエンジン温度（水温）に応じて定めるのが望ましい。
また、成層ストイキ燃焼時に分割噴射における燃料噴射弁の噴射時間確保のために燃圧を低下させる場合、図２（Ｂ）にＥＸで示すように、燃圧が低いことで、燃料噴射弁８の噴霧貫徹力が低下して、燃料噴霧が拡がり、ピストン冠面のボウル部６ａを経て、点火プラグ９周りに達する燃料噴霧が減少する。
【００５０】
従って、エンジン温度（水温）が低いほど、圧縮行程噴射時期を遅角して、点火プラグ周りへの燃料量を確保する必要がある。
その一方、エンジン温度（水温）が高くなるに従って、燃料の霧化が良くなるので、点火プラグ周りの空燃比がオーバーリッチになり、燃え残りとしてスモークが発生する。
【００５１】
従って、エンジン温度（水温）の上昇に伴って、圧縮行程噴射時期を進角することにより、オーバーリッチを防止する。
このため、触媒暖機要求時の成層ストイキ燃焼においては、エンジン温度（水温）が高くなるほど、圧縮行程噴射時期ＩＴを進角する。
また、成層ストイキ燃焼時の圧縮行程噴射時期ＩＴだけでなく、点火時期ＡＤＶについても同様で、エンジン温度（水温）に応じて、最適となるように制御する。
【００５２】
図１３は、点火時期ＡＤＶを横軸、圧縮行程噴射時期ＩＴを縦軸として、成層ストイキ燃焼時の燃焼安定性限界、スモーク限界、ＨＣ限界について、水温Ｔｗ＝２０℃の時（冷機時）を太線で、水温Ｔｗ＝４０℃の時（暖機過程）を細線で示している。
これによれば、３つの限界線により囲まれる略３角形の設定可能領域が、水温Ｔｗにより変化することがわかる。
【００５３】
また、３つの限界線により囲まれる略３角形（設定可能領域内）において、排気温度上昇効果が最大となる噴射時期ＩＴ遅角側、点火時期ＡＤＶ遅角側の頂点が、効果ベスト点であり、水温Ｔｗ＝２０℃での効果ベストに対し、水温Ｔｗ＝４０℃での効果ベスト点は、左下方向（噴射時期ＩＴ進角方向かつ点火時期ＡＤＶ遅角方向）に移動している。
【００５４】
従って、エンジン温度（水温）の上昇に伴わせて、圧縮行程噴射時期ＩＴを進角し、点火時期ＡＤＶを遅角することで、効果最大の設定となる。
次に成層ストイキ燃焼時の圧縮行程噴射時期の設定について更に詳しく説明する。
図１４（Ａ）は、水温Ｔｗ＝２０℃での、成層ストイキ燃焼時の圧縮行程噴射時期ＩＴに対する、燃焼安定性、スモーク、ＨＣ、排温の変化を示している。
【００５５】
圧縮行程噴射時期ＩＴを遅角すると、点火プラグ周りがリッチになることで、ＣＯ大になり、吸気行程で噴射して形成したリーン混合気中のＯ2 との後燃えを促進でき、ＨＣ低減、排温上昇が得られる。
但し、圧縮行程噴射時期ＩＴを遅角しすぎると、点火プラグ周りの空燃比がリッチ限界を超えて（略Ａ／Ｆ＜９）、燃焼が不安定になるのと同時に、燃料が燃え残り、結果としてスモークが発生する。
【００５６】
よって、燃焼安定性が成立し、スモーク発生のない圧縮行程噴射時期ＩＴに設定する必要があり、図１４（Ａ）の場合、圧縮行程噴射時期ＩＴは、燃焼安定性限界により決まる。
図１４（Ｂ）は、水温Ｔｗ＝４０℃での、成層ストイキ燃焼時の圧縮行程噴射時期ＩＴに対する、燃焼安定性、スモーク、ＨＣ、排温の変化を示している。
【００５７】
水温Ｔｗ＝４０℃でも、ＨＣ、排温については、絶対値は変わるものの、水温Ｔｗ＝２０℃のときと同様の傾向である。燃焼安定性、スモークについては、スモーク限界が進角側に移行して、燃焼安定性限界と逆転する。従って、図１４（Ｂ）の場合、圧縮行程噴射時期ＩＴは、スモーク限界により決まる。
従って、図１４（Ａ）での効果ベスト点（燃焼性安定限界）と図１４（Ｂ）での効果ベスト点（スモーク限界）との比較から明らかなように、エンジン温度（水温）の上昇に伴わせて、圧縮行程噴射時期ＩＴを進角するのが良いことがわかる。
【００５８】
次に成層ストイキ燃焼時の点火時期の設定について更に詳しく説明する。
図１５は、例えば水温Ｔｗ＝２０℃での、成層ストイキ燃焼時の点火時期ＡＤＶに対する、燃焼安定性、スモーク、ＨＣ、排温の変化を示している。
点火時期ＡＤＶを遅角すると、後燃えを促進でき、ＨＣ低減、排温上昇が得られる。また、スモークも減少する。但し、点火時期ＡＤＶを遅角しすぎると、燃焼が不安定となる。従って、設定すべき点火時期ＡＤＶは、燃焼安定性限界により決まる。
【００５９】
燃焼安定性限界については、エンジン温度（水温）の上昇に伴って、より遅角側となる。これは、エンジン温度（水温）の上昇により、燃料霧化が促進され、点火プラグ周り及び燃焼室壁面部などに良好な混合気が確保されることで、燃焼安定化が進み、燃焼安定性限界に余裕が生まれるからである。
従って、エンジン温度（水温）の上昇による燃焼安定性限界の遅角側への移行に伴わせて、点火時期ＡＤＶを遅角するのが良いことがわかる。
【００６０】
以上説明したように本実施形態によれば、排気浄化触媒の暖機要求時に、燃料噴射を分割して、点火時期までに吸気行程での早期噴射と圧縮行程後半での後期噴射とを行い、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど後期噴射の噴射時期を進角することにより、燃焼安定性を確保しつつエミッション改善及び暖機促進の効果を高めることができ、特にスモーク性能を大幅に改善できる。
【００６１】
また、本実施形態によれば、排気浄化触媒の暖機要求時に、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど点火時期を遅角することにより、噴射時期制御との組み合わせで、排温上昇効果、燃焼安定性、ＨＣ性能、及びスモーク性能をより総合的に勘案した制御を行うことができる。
また、本実施形態によれば、排気浄化触媒の暖機要求時に分割噴射を行う際、通常の１回噴射よりも燃料圧力を低下させることにより、分割噴射における各噴射での噴射時間を長くして、噴射パルス幅−燃料噴射量特性の直線領域にて各噴射を行うことが可能となり、制御精度を向上させることができる。
【００６２】
また、本実施形態によれば、エンジン温度に相関するパラメータとして、エンジン水温を用いることにより、特別なセンサの追加なしに簡易に実施できる。
尚、以上の実施形態では、エンジン温度に相関するパラメータとして、エンジン水温を用いたが、燃焼性能に直結するピストン冠面温度（特にピストン６の冠面に凹設したボウル部６ａの表面温度）を用いるようにしてもよい。
【００６３】
ピストン冠面温度は、ピストン６（特にその冠面）に埋め込んだサーモカップル等により直接検出してもよいし、エンジン水温Ｔｗに基づく擬似水温として推定してもよい。
ピストン冠面温度に相当する疑似水温は、始動時冷却水温度に応じた初期値と、所定周期毎の吸入空気量に応じた遅れ補正係数とに基づいて、エンジン水温の変化に対して遅れを持たせて算出することができる。
【００６４】
具体的な推定方法を図１６により説明する。
ピストン冠面温度と相関のある疑似水温ＴＷＦ[t] （ｔはイグニッション信号ＯＮ後の経過時間）は、始動時水温ＴＷｅ０に応じて、疑似水温初期値ＴＷＦ０から始まり、単位時間毎に吸入空気量Ｑａによって決まる遅れ補正係数Ｋｔｗｆずつ一次遅れでエンジン水温Ｔｗｅに向かって収束する。
【００６５】
ＴＷＦ[t] ＝ＴＷｅ[t] −（ＴＷｅ[t] −ＴＷＦ[t-1] ）×（１−Ｋｔｗｆ）
ここで、、ＴＷＦ[0] ＝ＴＷｅ[0] 、ｔはＩＧＮ／ＳＷ−ＯＮ後の経過時間である。尚、疑似水温初期値ＴＷＦ０は、始動時水温ＴＷｅ０に基づき図１６に示すテーブル等を参照することで求めることができ、遅れ補正係数Ｋｔｗｆは吸入空気量Ｑａに基づき図１６に示すテーブル等を参照して求めることができるものである。
【００６６】
このように、エンジン温度に相関するパラメータとして、ピストン冠面温度を用いることにより、ピストン冠面を利用して点火プラグ周りにリッチ混合気を形成する場合に、成層ストイキ燃焼の正否に直結する温度を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図
【図２】 成層ストイキ燃焼の説明図
【図３】 始動時燃焼制御のフローチャート
【図４】 成層ストイキ燃焼制御のフローチャート
【図５】 成層ストイキ燃焼用圧縮行程噴射時期設定のフローチャート
【図６】 成層ストイキ燃焼用圧縮行程噴射時期の基本値マップ
【図７】 成層ストイキ燃焼用圧縮行程噴射時期の補正値テーブル
【図８】 成層ストイキ燃焼用点火時期設定のフローチャート
【図９】 成層ストイキ燃焼用点火時期の基本値マップ
【図１０】 成層ストイキ燃焼用点火時期の補正値テーブル
【図１１】 始動から成層ストイキ燃焼切換えのタイミングチャート
【図１２】 水温によるＩＴ成立領域を示す図
【図１３】 ＩＴ、ＡＤＶの設定可能領域を示す図
【図１４】 ＩＴによる性能変化を示す図
【図１５】 ＡＤＶによる性能変化を示す図
【図１６】 ピストン冠面温度推定方法の説明図
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気通路
３ スロットル弁
６ ピストン
６ａ ボウル部
７ 燃焼室
８ 燃料噴射弁
９ 点火プラグ
１２ 高圧燃料ポンプ
１４ 高圧プレッシャレギュレータ
１５ 排気通路
１６ 排気浄化触媒
２０ コントロールユニット
２５ 水温センサ

Claims (11)

1. 筒内に直接臨んで燃料噴射弁が配設された直噴火花点火式エンジンにおいて、排気浄化触媒の暖機要求時に、燃料噴射を分割して、点火時期までに早期噴射と後期噴射とを行い、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど後期噴射の噴射時期を進角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。
2. 早期噴射は吸気行程で、後期噴射は圧縮行程で行うことを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。
3. 後期噴射は圧縮行程の後半で行うことを特徴とする請求項２記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。
4. 排気浄化触媒の暖機要求時に、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど点火時期を遅角することを特徴とする請求項１〜請求項３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。
5. ピストン冠面にボウル部が形成され、燃料噴射弁はボウル部を指向して燃料を噴射し、後期噴射は、圧縮行程の後半において、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど進角することを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。
6. 排気浄化触媒の暖機要求時に、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど点火時期を遅角することを特徴とする請求項５記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。
7. 排気浄化触媒の暖機要求時に分割噴射を行う際、通常の１回度噴射よりも燃料圧力を低下させることを特徴とする請求項１〜請求項６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。
8. エンジン温度に相関するパラメータはエンジン冷却水温度であ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。
9. エンジン温度に相関するパラメータはピストン冠面温度であ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。
10. 排気浄化触媒の暖機要求時に、燃料噴射を分割して、吸気行程での早期噴射と圧縮行程での後期噴射とを行い、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど後期噴射の噴射時期を進角することを特徴とする直噴火花点火式エンジンの制御方法。
11. 排気浄化触媒の暖機要求時に、エンジン温度に相関するパラメータがエンジン温度が高いことを示すほど点火時期を遅角することを特徴とする請求項１０記載の直噴火花点火式エンジンの制御方法。

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