JP4107188B2 - 筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置、特に始動時制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの温度を検出し、検出した温度が所定温度を下回る場合に圧縮行程において理論空燃比より少しばかりリーン側に空燃比を調整して燃料を噴射するものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１４５５１０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、冷間始動時には早期に圧縮行程噴射を開始して理論空燃比に近い空燃比で成層燃焼を行わせたほうが、ＨＣの排出量を低減できる。これは、圧縮行程噴射による成層燃焼は、見方を変えると混合気にムラのある状態で燃焼させることになり後燃えが生じ、これにより未燃燃料であるＨＣの燃焼が、吸気行程噴射による均質燃焼の場合よりも促進されるためである。
【０００５】
さて、エンジン回転速度が周期的に低くなったり高くなったりする始動クランキング時には、その周期的に変化するクランキング回転速度に応じて成層燃焼を実現するための要求噴射時期と要求点火時期とが変化するため、要求噴射開始時期に圧縮行程噴射したり要求点火時期に点火を行ったりすることができず、燃焼が不安定になり成層燃焼を実現できないことがある。
【０００６】
これについて図２を参照してさらに説明すると、図２は成層燃焼を実現するための要求噴射開始時期と要求点火時期とで定まる可燃範囲が、始動クランキング時における低回転速度のときと、始動クランキング時における高回転速度のときとでどう異なるのかを示しており、両者で当該可燃範囲が大きくずれている。始動クランキング時における高回転速度のときのほうが、始動クランキング時における低回転速度のときより要求噴射開始時期、要求点火時期とも進角側にあるのは、成層燃焼において燃料噴射から点火までの時間はそのときのエンジン回転速度に関係なくほぼ一定であるところ、クランク角に換算すると、始動クランキング時における高回転速度のときのほうが、始動クランキング時における低回転速度のときより燃焼が遅れないように早めに燃料噴射（従って点火も）を行う必要があるからである。
【０００７】
そこで、始動クランキング回転速度が周期的に変動しても要求噴射開始時期に圧縮行程噴射が、また要求点火時期に点火がそれぞれ行われるように、エンジン回転速度をパラメータとしてエンジン回転速度が高くなるほど進角する特性の基本噴射開始時期や基本点火時期のテーブルをエンジンコントローラに有させておき、そのときのエンジン回転速度からそのテーブルを検索して基本噴射開始時期や基本点火時期を求めるようにすることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、始動クランキング時には上記のようにクランキング回転速度が周期的に低くなったり高くなったりするので、今仮に高回転速度状態（クランキング回転速度が高くなった状態）にありこのとき上記テーブルを検索して基本噴射開始時期と基本点火時期とを求め、これら基本噴射開始時期と基本点火時期とで圧縮行程噴射と火花点火とを実行して成層燃焼を実現しようとしたとき、低回転速度状態（クランキング回転速度が低くなった状態）に移っていれば、高回転速度状態で求めた基本噴射開始時期と基本点火時期とはもはや要求噴射開始時期と要求点火時期でなくなり、従って低回転速度状態での可燃範囲を外れ、成層燃焼を実現できなくなる。成層燃焼を実現できないと、冷間始動時のＨＣ排出量を低減できない。
【０００９】
従って、始動クランキング時にエンジンの回転速度が周期的に低くなったり高くなったりしても成層燃焼を速やかに開始させるには、要求噴射時期や要求点火時期における瞬時のエンジン回転速度（この瞬時のエンジン回転速度を以下「瞬時回転速度」という。）を推定し、その推定した瞬時回転速度に基づいて基本噴射開始時期や基本点火時期を定める必要がある。
【００１０】
しかしながら、上記従来装置にはこうした課題を記述しておらず、また圧縮行程噴射における燃料噴射時期をどのように設定するのかについて一切記載がない。
【００１１】
そこで本発明は、要求噴射開始時期や要求点火時期における瞬時回転速度を要求噴射開始時期や要求点火時期に到達する前に予め推定し、その推定した瞬時回転速度に基づいて基本噴射開始時期や基本点火時期を算出し、これら算出した基本噴射開始時期や基本点火時期で圧縮行程噴射と点火とを行わせることにより、始動クランキング時にエンジン回転速度が周期的に低くなったり高くなったりしても成層燃焼を速やかに開始させることを目的とする。
【００１２】
なお、クランク角センサからの信号に基づいて瞬時回転速度をリアルタイムで計算させることが考え得るが、この方法によれば要求噴射開始時期における瞬時回転速度は要求噴射開始時期後にしか得ることができない。すなわち、この方法では要求噴射開始時期に遡ってはその瞬時回転速度を反映できないので、成層燃焼を実現できない可能性がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼室に対して点火プラグおよび燃料噴射弁を臨設し、この燃料噴射弁から燃料を燃焼室に直接噴射するようにした筒内直接噴射式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置において、始動クランキング時の瞬時回転速度の周期的変動を推定し、この推定値に基づいて燃料噴射時が訪れる前にその燃料噴射時の瞬時回転速度を推定し、この推定した燃料噴射時の瞬時回転速度に基づいて基本噴射時期を算出し、この算出後に前記燃料噴射時が訪れたとき、この算出した基本噴射時期を用いて圧縮行程噴射を行わせるように構成する。
【００１４】
また本発明は、点火時が訪れる前にその点火時の瞬時回転速度を推定し、この推定した点火時の瞬時回転速度に基づいて基本点火時期を算出し、この算出後に前記点火時が訪れたとき、この算出した基本点火時期を用いて点火を行わせるように構成する。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料噴射時が訪れる前にその燃料噴射時の瞬時回転速度を推定し、この推定した燃料噴射時の瞬時回転速度に基づいて基本噴射時期を算出しておき、燃料噴射時が訪れたとき、この算出した基本噴射時期を用いて圧縮行程噴射を行わせるようにしたので、始動クランキング時にエンジン回転速度が周期的に低くなったり高くなったりしても、基本噴射時期が要求噴射時期から外れることがなくなり、これにより成層燃焼を速やかに開始させることができる。
【００１６】
また本発明によれば、点火時が訪れる前にその点火時の瞬時回転速度を推定し、この推定した点火時の瞬時回転速度に基づいて基本点火時期を算出しておき、点火時が訪れたとき、この算出した基本点火時期を用いて点火を行わせるので、始動クランキング時にエンジン回転速度が周期的に低くなったり高くなったりしても、基本点火時期が要求点火時期から外れることがなくなり、これにより成層燃焼を速やかに開始させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明の一実施形態の筒内直接噴射式火花点火エンジンの概略構成図を４気筒エンジンの場合で示している。図１において、１はエンジン本体で、電子スロットル装置の吸気絞り弁３により調量された空気は吸気通路を介して吸気マニホールドのコレクタ部５に一旦蓄えられ、このコレクタ部５より分岐管６を経て各気筒の燃焼室７に流入する。
【００１９】
図示しない燃料タンクからの燃料は低圧電動ポンプにより高圧燃料ポンプ１５に供給される。高圧燃料ポンプ１５はエンジンにより駆動される単筒プランジャポンプで、供給される低圧燃料をさらに燃圧を高めて高圧燃料供給通路に吐出する。この高圧燃料は蓄圧室としての燃料ギャラリー１６に蓄えられたあと、燃料ギャラリー１６から各気筒の燃料噴射弁８に分配供給される。
【００２０】
燃料噴射弁８は気筒毎にエンジンの燃焼室７に臨んで設けられ、エンジンコントローラ２１からの信号を受けて所定の時期に開かれ、その開弁時間と燃料噴射弁８に作用する燃料ギャラリー１６内の燃圧とに比例した燃料を燃焼室７内に直接的に噴射供給する。
【００２１】
ここで、燃料ギャラリー１６内の要求燃圧は運転条件（負荷と回転速度）に応じて定められ、負荷一定であればエンジン回転速度が大きくなるほど高くなり、また回転速度一定であれば負荷が大きくなるほど高くなる。要求燃圧の最小値は例えば０．５ＭＰａ程度、要求燃圧の最大値は例えば１１ＭＰａ程度であり、その圧力範囲は広い。要求燃圧を全ての運転条件で一定としたときには、大きく変化する要求燃料量に対応させて燃料噴射弁４の開弁時間を長くしたり短くしたりしなければならず、燃料噴射弁８に対する仕様（ダイナミックレンジの拡大）が厳しくなることも考え得るのであるが、このように、回転速度一定であれば高負荷ほど要求燃圧を高めることで、燃料噴射弁８の開弁時間を長くしなくても要求燃料量を供給できることになり、燃料噴射弁８に対する仕様が厳しくならないようにすることができる。
【００２２】
高圧燃料ポンプ１５の内部には吐出燃料を燃料タンクに連通するリターン通路へと逃す通路にデューティ制御可能な制御弁を備えており、この制御弁へのＯＮデューティ値（制御量）を大きくするほどリターン通路に逃される吐出燃料が多くなる。エンジンコントローラ２１では燃圧センサ２２により検出される燃料ギャラリー１６内の実際の燃圧がそのときの運転条件に応じた要求燃圧と一致するように制御弁に与えるＯＮデューティ値をフィードバック制御する。
【００２３】
ＰＯＳセンサ（ポジションセンサ）２３、ＰＨＡＳＥセンサ（フェーズセンサ）２４からの信号、エアフローメータ２５からの吸入空気流量の信号、水温センサ２６からのエンジン冷却水温の信号等が、イグニッションスイッチからの信号と共に入力されるエンジンコントローラ２１では、これらの信号に基づいて始動時であるか否かを判定し、始動時にはほぼ理論空燃比に近い空燃比となるように燃料噴射パルス幅を算出し、基本的には各気筒の圧縮行程でこの算出した燃料噴射パルス幅の期間だけ燃料噴射弁８を開いて成層燃焼を実現する。
【００２４】
分岐管の途中にはタンブルコントロールバルブ１７を備える。このタンブルコントロールバルブ１７を閉じると、燃焼室７内にタンブル流（縦渦流）が生成される。この燃焼室内に生成されるガス流動とピストン冠面に穿設されているキャビティとを利用して燃料噴射弁８より燃焼室７内に直接噴射された燃料の噴霧をまとめつつ、燃焼室７天井のほぼ中央に位置する点火プラグ９近傍へと導き、この過程で混合気の塊となったものに対して着火する。燃料噴射弁８により噴射された燃料を混合気の塊状態にして点火プラグ９に誘導するこの方法はエアガイド式といわれている。
【００２５】
点火プラグ９により燃焼したガスは、排気マニホールド１０へと排出される。排気マニホールド１０下流で１つにまとめられ、その合流部の下流に三元触媒機能を有するＮＯｘトラップ触媒１１が設けられている。
【００２６】
こうした筒内直接噴射式火花点火エンジンエンジンを前提として、本発明では始動時の初めての燃料噴射時が訪れる前にその燃料噴射時の瞬時回転速度を推定し、この推定した燃料噴射時の瞬時回転速度に基づいて基本噴射時期を算出しておき、始動時の初めての燃料噴射時が訪れたとき、この算出した基本噴射時期を用いて圧縮行程噴射を行わせる。
【００２７】
これについてさらに説明する。始動クランキング時にはそのクランキング回転速度が周期的に変動する。すなわち、クランキング回転速度が低くなったり高くなったりと周期的に振れる。
【００２８】
ここで、成層燃焼を実現するための要求噴射開始時期と要求点火時期とで定まる可燃範囲が始動クランキング時における低回転速度のときと、始動クランキング時における高回転速度のときとでどう異なるのかを図２に示すと、両者で当該可燃範囲が大きくずれている。始動クランキング時における高回転速度のときのほうが、始動クランキング時における低回転速度のときより要求燃料噴射時期、要求点火時期がともに進角側にあるのは、成層燃焼において燃料噴射から点火までの時間はエンジン回転速度に関係なくほぼ一定であるところ、クランク角に換算すると、始動クランキング時における高回転速度のときのほうが、始動クランキング時における低回転速度のときより燃焼が遅れないように早めに燃料噴射（従って点火も）を行う必要があるからである。
【００２９】
このため、始動クランキング時におけるエンジン回転速度に関係なく、要求噴射開始時期と要求点火時期とが得られるように、エンジン回転速度をパラメータとしてエンジン回転速度が高くなるほど進角する特性の基本噴射開始時期と基本点火時期のテーブルをエンジンコントローラ２１に有させておくことが考え得るのであるが、始動クランキング時には上記のようにクランキング回転速度が周期的に低くなったり高くなったりするので、今仮に高回転速度状態にありこのとき上記テーブルを検索して基本噴射開始時期と基本点火時期とを求め、これら基本噴射開始時期と基本点火時期とで圧縮行程噴射と点火を実行して成層燃焼を実現しようとしたとき、低回転速度状態に移っていれば、高回転速度状態のときに求めた基本噴射開始時期、基本点火時期が要求噴射開始時期、要求点火時期から外れてしまい、従って燃焼が不安定となり成層燃焼を実現できなくなる。
【００３０】
これを逆にいえば、始動時の初めての燃料噴射時や点火時が訪れる前にその燃料噴射時や点火時の瞬時回転速度を推定できれば、その推定した瞬時回転速度を用いて基本噴射開始時期や基本点火時期を算出することで、クランキング回転速度が周期的に低くなったり高くなったりしても、成層燃焼を実現できるということである。
【００３１】
このため、始動クランキング時の瞬時回転速度の周期的変動を次のようにして推定する。
【００３２】
スタータモータによりエンジンが１回転もクランキングされるとエンジンは安定したクランキング回転速度に移り、このときクランキング回転速度が周期的に低くなったり高くなったりする。燃料噴射の開始前であるこのときのクランキング回転速度の変化を図３に示したように三角関数で近似する。
【００３３】
図示のように、クランキング回転速度は各気筒の圧縮上死点（ＴＤＣ）で必ず最低の値を採る。これは、クランキングにより燃焼室７内の空気を圧縮するため、その圧縮圧力が最大となる圧縮上死点において要求トルク瞬間値が最も大きくなり、クランキング回転速度の瞬間値が最も小さくなるためである。
【００３４】
なお、４気筒エンジンの点火順序は＃１−＃３−＃４−＃２であり、従って＃１気筒（１番気筒）の圧縮上死点（＃１ＴＤＣ）の前に＃２気筒の圧縮上死点（＃２ＴＤＣ）が訪れている。
【００３５】
ここでは、＃１気筒で代表させて考えると、要求噴射開始時期が仮に＃１気筒の圧縮上死点前６０°（６０°ＢＴＤＣ）であるとしたときの瞬時回転速度はクランキング回転速度の変化を表す三角関数上の点Ｃに存在する。従って、当該三角関数を決定することができれば、点Ｃの瞬時回転速度を求めることができる。
【００３６】
当該三角関数を数式で表すため、横軸を時間ｔ［ｓ］、縦軸を時間ｔの関数である瞬時回転速度Ｙ（ｔ）［ｒｐｍ］とおき、＃２気筒の圧縮上死点（＃２ＴＤＣ）を横軸の原点に選ぶと、クランキング時における瞬時回転速度Ｙ（ｔ）を次式により表すことができる。
【００３７】
Ｙ（ｔ）＝−ａ・cos（ω・ｔ）＋Ｎａｖｅ…（１）
ただし、ａ；振幅［ｒｐｍ］、
ω；角速度［ｒａｄ／ｓ］、
Ｎａｖｅ；クランキング時の平均回転速度［ｒｐｍ］
エンジンコントローラ２１にはＰＯＳ信号とＰＨＡＳＥ信号とが入力されており、これらの信号に基づけば、スタータスイッチをＯＦＦよりＯＮへと切換えたタイミングよりエンジンが１回転もクランキングされれば（１）式のクランキング時の平均回転速度Ｎａｖｅを求めることができる。
【００３８】
ここで、クランク角センサ（２３、２４）について具体的に述べると、ＰＯＳセンサ２３用シグナルプレートには基本的にクランク角１０°毎に歯を形成しているのであるが、各気筒の所定クランク角［°ＡＴＤＣ］と所定クランク角＋１０［°ＡＴＤＣ］の歯を欠いており、従ってクランクシャフト１回転（３６０°）で３２個のＰＯＳ信号が生成される。
【００３９】
ＰＨＡＳＥセンサ２４用シグナルプレートは、吸気カムシャフトの後端に取り付けられ、そのシグナルプレート周囲に所定数の凹部が設けられている。ＰＨＡＳＥ信号はＰＯＳ信号に比べればまばらな信号であり、気筒判別を行わせる必要があるため所定のタイミングで生成されるようにしている。
【００４０】
これらＰＯＳ信号とＰＨＡＳＥ信号とが入力されるエンジンコントローラ２１では、各気筒の５０°ＢＴＤＣを基準点として、その直前に読みとったＰＨＡＳＥ信号数の組み合わせにより次の気筒を判別するようにロジックが組まれている。このため、例えば図１３に示したように
（１）ＰＯＳセンサ２３用シグナルプレートの歯欠けの位置により５０°ＢＴＤＣで基準ＲＥＦ信号の判定がまず開始され、
（２）３０°ＡＴＤＣで初回気筒が判別される。
【００４１】
（３）また、１１０°ＢＴＤＣで制御ＲＥＦ信号の判定が開始され、その後は各気筒の１１０°ＢＴＤＣ毎に気筒判別値ＣＹＬＣＮＴが切換わってゆく。
【００４２】
このように、経時的には「基準ＲＥＦ判定」、「初回気筒判別」、「制御ＲＥＦ判定開始」の順に行われるのであり、これらはスタータスイッチをＯＦＦよりＯＮへと切換えたタイミングよりエンジンが１回転する前に終了している。
【００４３】
このようにして、基準ＲＥＦ信号が得られると、基準ＲＥＦ信号はクランク角で１８０°毎の信号となるので、この基準ＲＥＦ信号間の時間間隔よりエンジン回転速度を計算することで、サイクル変動の影響を受けない、クランキング時の平均回転速度Ｎａｖｅを算出することができる。
【００４４】
上記（１）式に戻り、クランキング時の平均回転速度Ｎａｖｅが既知となれば、残る未知数は振幅ａと角速度ωである。これら２つの未知数は時間ｔの関数であるＹ（ｔ）上の２点が定まれば連立方程式を解くことで求めることができる。すなわち、点Ａ（ｔ１、Ｙ１）として＃２気筒の圧縮上死点（＃１気筒の１８０°ＢＴＤＣ）を、また点Ｂ（ｔ２、Ｙ２）として＃１気筒の圧縮上死点前１１０°（１１０°ＢＴＤＣ）を選択する。この場合に、クランク角センサ（２３、２４）によりエンジンが１回転もすれば気筒判別可能となっているので、＃１気筒の圧縮上死点前１８０°（１８０°ＢＴＤＣ）、＃１気筒の圧縮上死点前１１０°（１１０°ＢＴＤＣ）はエンジンコントローラ２１にとって既知である。従って、＃１気筒の圧縮上死点前１８０°（１８０°ＢＴＤＣ）のタイミングよりエンジンコントローラ２１に内蔵のタイマーを起動し（ｔ１＝０）、＃１気筒の圧縮上死点前１１０°（１１０°ＢＴＤＣ）になったタイミングで、そのタイマー値をみればｔ２を計測できる。
【００４５】
また、ＰＯＳ信号は１０°毎の入力であり、その信号間の時間計測を行うことにより瞬時回転速度を計算している。このため、＃１気筒の圧縮上死点前１８０°（１８０°ＢＴＤＣ）、圧縮上死点前１１０°（１１０°ＢＴＤＣ）になったタイミングでの瞬時回転速度をみれば、Ｙ１、Ｙ２もわかる。
【００４６】
このようにして点Ａ（ｔ１、Ｙ１）と点Ｂ（ｔ２、Ｙ２）の２点が既知になると、これらを（１）式に代入することで次の方程式を得る。
【００４７】
Ｙ１（ｔ１）＝−ａ・cos（ω・ｔ１）＋Ｎａｖｅ…（２）
Ｙ２（ｔ２）＝−ａ・cos（ω・ｔ２）＋Ｎａｖｅ…（３）
従ってこれら（２）、（３）の方程式を連立させて解けば、三角関数の未知数であった振幅ａと角速度ωを求めることができ、これによりクランキング回転速度の変化を表す三角関数Ｙを決定することができる。
【００４８】
次に、この三角関数Ｙを用いて要求噴射開始時期における瞬時回転速度を始動時の初めての燃料噴射時が訪れる前に推定する方法を説明する。
【００４９】
まず、要求噴射開始時期よりも進角側にいくつかの仮の要求噴射開始時期を次のように予め定めておく。ここでは、簡単のため３つだけ示している。
【００５０】
第１の仮の要求噴射開始時期：
＃１気筒の圧縮上死点前６０°（６０°ＢＴＤＣ）
第２の仮の要求噴射開始時期：
＃１気筒の圧縮上死点前３０°（３０°ＢＴＤＣ）
第３の仮の要求噴射開始時期：
＃１気筒の圧縮上死点前２５°（２５°ＢＴＤＣ）
そして、上記（１）式を用いてこれら仮の要求噴射開始時期における瞬時回転速度を求める。このとき求まる各瞬時回転速度を次のように定める。
【００５１】
第１の仮の要求噴射開始時期における瞬時回転速度：Ｎｉｎｊ１
第２の仮の要求噴射開始時期における瞬時回転速度：Ｎｉｎｊ２
第３の仮の要求噴射開始時期における瞬時回転速度：Ｎｉｎｊ３
これについて説明すると、仮の要求噴射開始時期における瞬時回転速度Ｎｉｎｊ１、Ｎｉｎｊ２、Ｎｉｎｊ３は図４（図３の一部拡大図）に示したように点Ｃ、Ｄ、Ｅの座標をそれぞれ（ｔ３、Ｙ３）、（ｔ４、Ｙ４）、（ｔ５、Ｙ５）としたときのＹ３、Ｙ４、Ｙ５の値であるから、ω・ｔ３、ω・ｔ４、ω・ｔ５が分かれば、これらをそれぞれ上記（１）式に代入することでＹ３、Ｙ４、Ｙ５を求めることができる。図３、図４より、Ａ−Ｃ間は１２０°（＝１８０°−６０°）、Ａ−Ｄ間は１５０°（＝１８０°−３０°）、Ａ−Ｅ間は１５５°（＝１８０°−２５°）であるから、ω・ｔ３、ω・ｔ４、ω・ｔ５は次の通りである。
【００５２】
ω・ｔ３＝１２０°…（４）
ω・ｔ４＝１５０°…（５）
ω・ｔ５＝１５５°…（６）
これらω・ｔ３、ω・ｔ４、ω・ｔ５を用いることで、Ｙ３（つまりＮｉｎｊ１）、Ｙ４（つまりＮｉｎｊ２）、Ｙ５（つまりＮｉｎｊ３）を得る。
【００５３】

このように仮の要求噴射開始時期を設定したとき、仮の要求噴射開始時期にける瞬時回転速度は図４に示したようにＮｉｎｊ１、Ｎｉｎｊ２、Ｎｉｎｊ３の順に小さくなる。これから分かるように、Ｎｉｎｊ１−Ｎｉｎｊ２、Ｎｉｎｊ２−Ｎｉｎｊ３と隣り合う２つの瞬時回転速度の差を計算すると、この差は徐々に小さくなり、やがてある値に収束する。この収束値が要求噴射開始時期における瞬時回転速度Ｎｉｎｊ∞である。
【００５４】
しかしながら、こうした収束計算を行わせて要求噴射開始時期における瞬時回転速度Ｎｉｎｊ∞を得るのでは、演算負荷を増すばかりか時間を要するので、実際問題として現実的でない。
【００５５】
そこで、本実施形態では仮の要求噴射噴射時期における瞬時回転速度の算出を２回ないし３回行い、連続する瞬時回転速度の差が所定値以内に収まった時点で収束したとみなし、そのときの瞬時回転速度を要求噴射開始時期における瞬時回転速度Ｎｉｎｊ∞（始動時の初めての燃料噴射時の瞬時回転速度）として採用する。
【００５６】
エンジンコントローラ２１により行われるこの制御の内容を図５のフローチャートを参照しながら詳述する。
【００５７】
図５は要求噴射開始時期における瞬時回転速度を推定し、その推定した瞬時回転速度に基づく基本噴射開始時期及び基本点火時期を算出するためものである。ただし、実行のタイミングは始動時の初めての燃料噴射時が訪れる前でありかつ所定のクランク角毎である。＃１気筒で代表させて述べる。
【００５８】
ステップ１では瞬時回転速度ｎを読み込む。これは、ＰＯＳ信号に基づいて演算している。
【００５９】
ステップ２では＃１気筒の圧縮上死点前１８０°（１８０°ＢＴＤＣ）であるか否かみる。＃１気筒の圧縮上死点前１８０°であるときにはステップ３に進みそのときの瞬時回転速度ｎを変数Ｙ１に移す。ステップ４では変数ｔ１＝０としてエンジンコントローラ２１に内蔵されているタイマーを起動する。このタイマーはｔ２を計測するためのものである。
【００６０】
＃１気筒の圧縮上死点前１８０°でないときにはステップ２よりステップ５に進み、＃１気筒の圧縮上死点前１１０°（１１０°ＢＴＤＣ）であるか否かみる。＃１気筒の圧縮上死点前１１０°であるときにはステップ６に進みそのときの瞬時回転速度ｎを変数Ｙ２に移す。ステップ７ではタイマー値を変数ｔ２に移す。
【００６１】
＃１気筒の圧縮上死点前１１０°でないときにはステップ５よりステップ８に進み、クランキング時の平均回転速度Ｎａｖｅを読み込み、ステップ９で点Ａ（ｔ１、Ｙ１）、Ｂ（ｔ２、Ｙ２）を上記（１）式に代入して得られる方程式を連立させて解いて三角関数Ｙの未知数である振幅ａと角速度ωを求める。
【００６２】
これで、クランキング時の瞬時回転速度を表す三角関数Ｙが定まったので、ステップ１０では（１）式のω・ｔとして（１８０−６０）°を代入してＹを計算しその結果を第１の仮の要求噴射開始時期（圧縮上死点前６０°）における瞬時回転速度を表す変数Ｎｉｎｊ１に入れる。同様にして、ステップ１１では（１）式のω・ｔとして（１８０−３０）°を代入してＹを計算しその結果を第２の仮の要求噴射時期（圧縮上死点前３０°）における瞬時回転速度を表す変数Ｎｉｎｊ２に入れる。
【００６３】
ステップ１２では変数Ｎｉｎｊ１から変数Ｎｉｎｊ２を差し引きその瞬時回転速度の差と所定値を比較する。Ｎｉｎｊ１−Ｎｉｎｊ２の瞬時回転速度差が所定値以内に収まっていれば、要求噴射時期おける瞬時回転速度に収束したと判断し、ステップ１３に進んで、変数Ｎｉｎｊ２の値を要求噴射開始時期における瞬時回転速度を表す変数Ｎｉｎｊ∞に移す。
【００６４】
一方、Ｎｉｎｊ１−Ｎｉｎｊ２の瞬時回転速度差が所定値以内に収まっていないときにはステップ１４に進み、（１）式のω・ｔとして（１８０−２５）°を代入してＹを計算しその結果を第３の仮の要求噴射開始時期（圧縮上死点前２５°）における瞬時回転速度を表す変数Ｎｉｎｊ３に入れ、その変数Ｎｉｎｊ３の値をステップ１５でＮｉｎｊ∞に移す。
【００６５】
ステップ１６ではこのようにして得られる変数Ｎｉｎｊ∞（つまり要求噴射開始時期における瞬時回転速度）から図６、図７を内容とするテーブルを検索して基本噴射開始時期ＩＴ［°ＢＴＤＣ］と基本点火時期ＡＤＶ［°ＢＴＤＣ］を求める。
【００６６】
図示しない燃料噴射時期の制御では実際のクランク角位置がこの基本噴射開始時期ＩＴと一致したとき（始動時の初めての燃料噴射時が訪れたとき）、この基本噴射開始時期ＩＴを用いて圧縮行程噴射を開始し、また図示しない点火時期の制御では実際のクランク角位置がこの基本点火時期ＡＤＶと一致したとき（始動時の初めての点火時が訪れたとき）、この基本点火時期ＡＤＶを用いて火花点火を開始する。
【００６７】
ここで本実施形態の作用を説明する。
【００６８】
本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、始動時の初めての燃料噴射時が訪れる前にその燃料噴射時の瞬時回転速度を推定し、この推定した燃料噴射時の瞬時回転速度に基づいて基本噴射時期ＩＴを算出しておき（図６参照）、始動時の初めての燃料噴射時が訪れたとき、この算出した基本噴射時期ＩＴを用いて圧縮行程噴射を行わせるようにしたので、始動クランキング時に瞬時回転速度が周期的に低くなったり高くなったりしても、基本噴射時期ＩＴが要求噴射時期から外れることがなくなり、これにより成層燃焼を速やかに開始させることができる。
【００６９】
ところで、上記の変数Ｎｉｎｊ∞は正確には要求噴射開始時期における瞬時回転速度であって要求点火時期における瞬時回転速度ではないが、本実施形態では、要求噴射開始時期における瞬時回転速度と要求点火時期における瞬時回転速度はほぼ等しいものとみなしている。
【００７０】
そこで、要求噴射開始時期における瞬時回転速度としてＮｉｎｊ∞を求めたのと同様にして、要求点火時期における瞬時回転速度としてＮｉｇｎ∞を求め、その求めたＮｉｇｎ∞から基本点火時期ＡＤＶを求めるようにしてもかまわない（請求項２に記載の発明）。このようすれば、始動クランキング時に瞬時回転速度が周期的に低くなったり高くなったりしても、基本点火時期ＡＤＶが要求点火時期から外れることがなくなり、これにより成層燃焼を速やかに開始させることができる。
【００７１】
また、本実施形態（請求項７に記載の発明）によれば、始動クランキング時に時間的にずれた２点Ａ、Ｂの時刻ｔ１、ｔ２と瞬時回転速度Ｙ１、Ｙ２を計測し、これら計測値に基づいて三角関数Ｙの未知数である振幅ａと角速度ωを算出するので、三角関数Ｙの未知数ある振幅ａと角速度ωの算出方法が簡便であり、マッチングも不要である。
【００７２】
また、本実施形態（請求項１０、１１に記載の発明）によれば、要求噴射時期より進角側に定めた第１の仮の燃料噴射時期（圧縮上死点前６０°）における瞬時回転速度を表すＮｉｎｊ１と、同じく要求噴射時期より進角側でかつ第１の仮の燃料噴射時期（圧縮上死点前６０°）よりも遅角側に定めた第２の仮の燃料噴射時期（圧縮上死点前３０°）における瞬時回転速度を表すＮｉｎｊ２とを三角関数Ｙを用いて算出し、両者の瞬時回転速度の差（Ｎｉｎｊ１−Ｎｉｎｊ２）が所定値以内に収まるとき、第２の仮の燃料噴射時期における瞬時回転速度を表すＮｉｎｊ２を、また前記両者の瞬時回転速度の差（Ｎｉｎｊ１−Ｎｉｎｊ２）が所定値を超えるとき、要求噴射時期より進角側でかつ第２の仮の燃料噴射時期よりも遅角側に定めた第３の仮の燃料噴射時期（圧縮上死点前２５°）における瞬時回転速度を表すＮｉｎｊ３を三角関数Ｙを用いて算出し、この算出した第３の仮の燃料噴射時期における瞬時回転速度を表すＮｉｎｊ３をそれぞれ要求噴射時期における瞬時回転速度（始動時の初めての燃料噴射時の瞬時回転速度）Ｎｉｎｊ∞として採用するので、瞬時回転速度の変化が小さくなったタイミングで圧縮行程噴射を行うことができることから、より成層燃焼を安定して行わせることができ、これにより始動時成層燃焼のロバスト性を上げることができる。
【００７３】
図８は第２実施形態のフローチャートで、第１実施形態の図５と置き換わるものである。ただし、図５と同一の部分には同一のステップ番号をつけてその説明を省略する。
【００７４】
第１実施形態では図３で前述したように点Ａ、Ｂの座標を定めるｔ１、Ｙ１、ｔ２、Ｙ２を計測し、それら計測値から上記（２）、（３）式の２つの方程式を作り、これらを連立させて解くことで、三角関数Ｙの未知数である振幅ａと角速度ωを求めたが、第２実施形態は連立方程式を解くことなく三角関数Ｙの未知数である振幅ａと角速度ωを求めるようしたものである。
【００７５】
図８において第１実施形態と相違するのはステップ２１〜２５である。すなわち、ステップ２１ではクランキング時の平均回転速度Ｎａｖｅ、水温センサ２６により検出される冷却水温Ｔｗ、クランク角１８０°区間に要する時間ΔＴ［ｓ］を読み込む。ここで、クランク角１８０°区間に要する時間ΔＴ（図３参照）は、基準ＲＥＦ信号間の時間をエンジンコントローラ２１内蔵のタイマーにより計測することで求めることができる。
【００７６】
ステップ２２ではクランキング時の平均回転速度Ｎａｖｅから図９を内容とするテーブルを検索することにより基本振幅ａ０を算出する。基本振幅ａ０は基準水温（例えば２５℃程度）のときにマッチングした値で、図９に示したようにクランキング時の平均回転速度Ｎａｖｅが大きくなるほど小さくなる。これは、クランキング時の平均回転速度Ｎａｖｅが大きいほどサイクル変動の時間間隔が短くなり、回転変化時間が短くなるため回転変動幅が小さくなることを考慮したものである（図１１参照）。なお、図９には６気筒エンジン、８気筒エンジンの場合を重ねて示している。
【００７７】
ステップ２３では冷却水温Ｔｗから図１０を内容とするテーブルを検索することにより振幅の水温補正係数を算出する。図１０に示したように水温補正係数は冷却水温Ｔｗが基準水温より低くなるほど大きくなる。これは、クランキング回転速度の変動振幅はエンジンフリクショントルクの影響を受ける（例えばエンジンフリクショントルクが大きくなるほどクランキング回転速度の低下が大きくなり振幅も大きくなる）ことを考慮したものである（図１２参照）。これにより、エンジン冷却水温が基準水温より低いときでも三角関数の未知数である振幅を精度よく求めることができる。
【００７８】
ステップ２４ではこの水温補正係数を上記基本振幅ａ０に乗算して、つまり次式により振幅ａを算出する。
【００７９】
ａ＝ａ０×振幅補正係数…（１０）
ステップ２５ではクランク角１８０°区間に要する時間ΔＴから次式により角速度ωを算出する。
【００８０】
ω＝２π／ΔＴ…（１１）
ここで、クランク角１８０°区間に要する時間ΔＴは（１）式に示す三角関数Ｙの１周期である２π／ω［ｓ］に等しい、つまりΔＴ＝２π／ωの関係があるので、これを角速度ωについて整理した式が（１１）式である。
【００８１】
このようにして第２実施形態においても、三角関数Ｙの未知数である振幅ａと角速度ωを求めることができた。
【００８２】
図３において点Ａ、点Ｂの選び方はこれに限られるものでない。始動時の初めての燃料噴射時が訪れる前であって現在のクランク角が分かる位置であれば問題ない。ただし、点Ｃは要求噴射開始時期に近くてしかも要求噴射開始時期より進角側に選ぶ必要がある。
【００８３】
実施形態では第１の仮の要求噴射開始時期における瞬時回転速度を表すＮｉｎｊ１と、第２の仮の要求噴射開始時期における瞬時回転速度を表すＮｉｎｊ２との差と所定値との比較により要求噴射開始時期における瞬時回転速度を決定する場合で説明したが、簡単には第１の仮の要求噴射開始時期における瞬時回転速度を表すＮｉｎｊ１をそのまま要求噴射開始時期における瞬時回転速度として採用してもかまわない。
【００８４】
実施形態では噴射時期が噴射開始時期である場合で説明したが、噴射終了時期であってもかまわない。
【００８５】
実施形態ではクランク角センサがＰＯＳセンサ２３とＰＨＡＳＥセンサ２４とで構成される場合で説明したが、これに限られるものでない。
【００８６】
請求項１に記載の燃料噴射時瞬時回転速度推定手段の機能は図５のステップ１〜１０または図８のステップ２１〜２５、１０により、基本噴射時期算出手段の機能は図５、図８のステップ１６により、圧縮行程噴射実行手段の機能はエンジンコントローラ２１により果たされている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の筒内直接噴射式火花点火エンジンの概略構成図。
【図２】クランキング時における低回転速度のときと、クランキング時における高回転速度のときとで要求噴射開始時期及び要求点火時期がずれていることを示す特性図。
【図３】クランキング回転速度を三角関数で近似したときの波形図。
【図４】図３の一部拡大図。
【図５】要求噴射時期における瞬時回転速度の推定並びにその推定した瞬時回転速度に基づく基本噴射開始時期及び基本点火時期の演算を説明するためのフローチャート。
【図６】基本噴射開始時期の特性図。
【図７】基本点火時期の特性図。
【図８】第２実施形態の要求噴射時期における瞬時回転速度の推定並びにその推定した瞬時回転速度に基づく基本噴射開始時期及び基本点火時期の演算を説明するためのフローチャート。
【図９】基本振幅の特性図。
【図１０】水温補正係数の特性図。
【図１１】クランキング回転速度の変化波形図。
【図１２】クランキング回転速度の変化波形図。
【図１３】ＰＯＳ信号、ＰＨＡＳＥ信号に基づく基準ＲＥＦ信号の判定等を説明するための特性図。
【符号の説明】
１ エンジン
８ 燃料噴射弁
９ 点火プラグ
２１ エンジンコントローラ
２３ ＰＯＳセンサ（クランク角位置検出手段）
２４ ＰＨＡＳＥセンサ（クランク角位置検出手段）

Claims (10)

1. 燃焼室に対して点火プラグおよび燃料噴射弁を臨設し、この燃料噴射弁から燃料を燃焼室に直接噴射するようにした筒内直接噴射式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置において、
   始動クランキング時の瞬時回転速度の周期的変動を推定する瞬時回転速度周期的変動推定手段と、
   この推定した瞬時回転速度の周期的変動に基づいて、燃料噴射時が訪れる前にその燃料噴射時の瞬時回転速度を推定する燃料噴射時瞬時回転速度推定手段と、
   この推定した燃料噴射時の瞬時回転速度に基づいて基本噴射時期を算出する基本噴射時期算出手段と、
   この算出後に前記燃料噴射時が訪れたとき、この算出した基本噴射時期を用いて圧縮行程噴射を行わせる圧縮行程噴射実行手段とを備えることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置。
2. 点火時が訪れる前にその点火時の瞬時回転速度を推定する点火時瞬時回転速度推定手段と、
   この推定した点火時の瞬時回転速度に基づいて基本点火時期を算出する基本点火時期算出手段と、
   この算出後に前記点火時が訪れたとき、この算出した基本点火時期を用いて点火を行わせる点火実行手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置。
3. 前記始動クランキング時の瞬時回転速度の周期的変動を、前記始動クランキング時の平均回転速度を中心として振れる三角関数で近似することを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置。
4. 始動クランキング時の瞬時回転速度の周期的変動を推定する瞬時回転速度周期的変動推定手段を備え、
   この推定した瞬時回転速度の周期的変動に基づいて、前記点火時の瞬時回転速度を推定することを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置。
5. 前記始動クランキング時の瞬時回転速度の周期的変動を、前記始動クランキング時の平均回転速度を中心として振れる三角関数で近似することを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置。
6. 前記始動クランキング時に時間的にずれた２点の時刻と瞬時回転速度を計測する計測手段を備え、
   これら計測値に基づいて前記三角関数の未知数である振幅と角速度を算出することを特徴とする請求項３または５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置。
7. 前記始動クランキング時の平均回転速度を計測する平均回転速度計測手段と、前記始動クランキング時の瞬時回転速度の周期的変動の１周期を計測する１周期計測手段とを備え、
   前記平均回転速度から前記三角関数の未知数である振幅を、前記１周期から前記三角関数の未知数である角速度をそれぞれ算出することを特徴とする請求項３または５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置。
8. エンジン冷却水温を検出する冷却水温検出手段を備え、
   この検出した冷却水温で前記振幅を補正することを特徴とする請求項７に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置。
9. 前記燃料噴射時瞬時回転速度推定手段が、
   要求噴射時期より進角側に定めた第１の仮の燃料噴射時期における瞬時回転速度と、同じく要求噴射時期より進角側でかつ前記第１の仮の燃料噴射時期よりも遅角側に定めた第２の仮の燃料噴射時期における瞬時回転速度とを前記三角関数を用いて算出する手段と、
   両者の瞬時回転速度の差が所定値以内に収まるとき、前記第２の仮の燃料噴射時期における瞬時回転速度を、燃料噴射時の瞬時回転速度として採用する手段とからなることを特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置。
10. 前記両者の瞬時回転速度の差が所定値を超えるとき、前記要求噴射時期より進角側でかつ前記第２の仮の燃料噴射時期よりも遅角側に定めた第３の仮の燃料噴射時期における瞬時回転速度を前記三角関数を用いて算出し、この算出した第３の仮の燃料噴射時期における瞬時回転速度を燃料噴射時の瞬時回転速度として採用することを特徴とする請求項９に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置。

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