JP4428226B2 - In-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine controller - Google Patents

In-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine controller Download PDF

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Description

この発明は、筒内に燃料を直接に噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、その噴射時期および点火時期の制御に関する。   The present invention relates to an in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine that directly injects fuel into a cylinder, and more particularly to control of the injection timing and ignition timing.

特許文献1には、排気浄化用の触媒コンバータが活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、圧縮行程中に燃料噴射を行い、かつ、点火時期を圧縮上死点よりも遅角させる技術が開示されている。
特開2001−336467号公報
Patent Document 1 discloses that when an exhaust purification catalytic converter is in an unwarmed state lower than an activation temperature, fuel is injected during the compression stroke, and the ignition timing is retarded from the compression top dead center. Technology is disclosed.
JP 2001-336467 A

内燃機関冷機時の触媒の早期活性化を図るべく排気ガス温度を昇温させるとともにHCを低減するためには、点火時期をなるべく大きく遅角させることが望ましいが、点火時期を大幅に遅角すると、燃焼安定度が悪化するため、燃焼安定度の観点から定まるある限界よりも遅角することはできない。特許文献1のような従来の技術では、特に冷機時のような条件下において、安定した燃焼の確保が難しく、燃焼安定度から定まる点火時期の遅角限界が比較的進み側にあり、十分な点火時期の遅角を実現することができない。   In order to raise the exhaust gas temperature and reduce HC in order to achieve early activation of the catalyst when the internal combustion engine is cold, it is desirable to retard the ignition timing as much as possible, but if the ignition timing is significantly retarded Since the combustion stability deteriorates, it cannot be retarded from a certain limit determined from the viewpoint of combustion stability. In the conventional technique such as Patent Document 1, it is difficult to ensure stable combustion, particularly under conditions such as cold, and the retard limit of the ignition timing determined from the combustion stability is relatively advanced, which is sufficient. The ignition timing delay cannot be realized.

本発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、排気系に設けられた触媒コンバータの昇温が要求されたときに、上死点噴射運転モードとして、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うことを特徴としている。そして、特に、上記の上死点噴射運転モードを、触媒温度が触媒活性温度に達するまで継続するのではなく、触媒温度が触媒活性温度に達する前に、触媒コンバータの入口温度と内部温度とによる触媒コンバータの温度状態の判定に基づいて解除するようにしている。
The present invention relates to a control device for an in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine that includes a fuel injection valve that directly injects fuel into a cylinder and that includes an ignition plug. Is requested as the top dead center injection operation mode, and the fuel injection is performed in a period spanning the compression top dead center so that the injection start timing is before the compression top dead center and the injection end timing is after the compression top dead center. And ignition is performed after compression top dead center delayed from the injection start timing. In particular, the top dead center injection operation mode is not continued until the catalyst temperature reaches the catalyst activation temperature, but before the catalyst temperature reaches the catalyst activation temperature, it depends on the inlet temperature and the internal temperature of the catalytic converter. The release is made based on the determination of the temperature state of the catalytic converter.

図1は、本発明の上死点噴射運転モードにおける燃料噴射期間および点火時期を筒内圧変化とともに例示したものであり、噴射開始時期ITSが圧縮上死点(TDC)前、噴射終了時期ITEが圧縮上死点(TDC)後となる。その間の噴射期間Tの長さは、噴射量に相当する。点火時期ADVは、圧縮上死点(TDC)後であり、噴射開始時期ITSから所定クランク角(例えば10°CA〜25°CA)遅れた時期となる。この遅れ期間Dは、一般に、燃料噴射弁から点火プラグまでの距離に相関する。   FIG. 1 illustrates the fuel injection period and ignition timing in the top dead center injection operation mode of the present invention together with the change in the in-cylinder pressure. The injection start timing ITS is before the compression top dead center (TDC), and the injection end timing ITE is After compression top dead center (TDC). The length of the injection period T during that time corresponds to the injection amount. The ignition timing ADV is after compression top dead center (TDC), and is a timing delayed by a predetermined crank angle (for example, 10 ° CA to 25 ° CA) from the injection start timing ITS. This delay period D generally correlates with the distance from the fuel injection valve to the spark plug.

なお、圧縮上死点(TDC)を中心として前半の圧縮上死点前の期間と後半の圧縮上死点後の期間とがほぼ等しくなるように、噴射開始時期ITSおよび噴射終了時期ITEを制御するようにしてもよい。   The injection start timing ITS and the injection end timing ITE are controlled so that the period before the compression top dead center in the first half and the period after the compression top dead center in the second half are substantially equal with the compression top dead center (TDC) as the center. You may make it do.

図2は、内燃機関の1サイクル中のピストンストロークによるピストン位置変化量と燃焼室の体積変化量とを示したものである。図示するように、単位クランク角当たりの変化量は、ストロークの中間位置付近で最も大きく、下死点(BDC)付近ならびに上死点(TDC)付近では、非常に小さい。従って、本発明で燃料噴射を行う圧縮上死点付近は、ピストン位置変化や体積変化が非常に小さく、ピストンの動き等に影響されない安定した場が形成され得る。   FIG. 2 shows the piston position change amount and the combustion chamber volume change amount due to the piston stroke in one cycle of the internal combustion engine. As shown in the figure, the amount of change per unit crank angle is the largest near the middle position of the stroke, and is very small near the bottom dead center (BDC) and near the top dead center (TDC). Therefore, in the vicinity of the compression top dead center where the fuel injection is performed in the present invention, the piston position change and volume change are very small, and a stable field that is not affected by the piston movement or the like can be formed.

また、筒内には、吸気行程において、スワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのガス流動が発生し、圧縮行程においても残存しているが、このようなスワール流やタンブル流といった大きな流れは、ピストンが圧縮上死点付近に達して燃焼室が狭小なものとなると、急激に崩壊する。図3は、種々の機関回転数の下での燃焼室内の大きな流れの流速変化を示したものであり、図示するように、回転数に応じた強さのスワール流ないしタンブル流が発生するが、圧縮上死点(360°CA)に達する前に、急激に崩壊する。従って、本発明において圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧は、スワール流やタンブル流のような大きな流れにより動かされることがなく、点火プラグに対し、常に安定した形で噴霧を形成することが可能である。   In the cylinder, a relatively large gas flow such as a swirl flow or a tumble flow is generated in the intake stroke and remains in the compression stroke. However, a large flow such as a swirl flow or a tumble flow is When the piston reaches near the compression top dead center and the combustion chamber becomes narrow, it collapses rapidly. FIG. 3 shows a change in flow velocity of a large flow in the combustion chamber under various engine speeds. As shown in the figure, a swirl flow or a tumble flow having a strength corresponding to the rotation speed is generated. Collapses rapidly before reaching compression top dead center (360 ° CA). Therefore, in the present invention, the fuel spray injected near the compression top dead center is not moved by a large flow such as a swirl flow or a tumble flow, and always forms a spray in a stable manner on the spark plug. Is possible.

一方、上記のスワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのエネルギは、その流れの崩壊に伴って、微小な乱れへと遷移する。従って、燃焼室内の微小な乱れは、圧縮上死点の直前に、急激に増大する。図4は、図3に示した流れの崩壊に伴って生じる微小な乱れの強さを、流速に換算していわゆる乱れ流速として示したものであり、図示するように、圧縮上死点直前に、乱れが大きく増加する。このような微小な乱れは、燃焼場の活性化に寄与し、燃焼改善作用が得られる。   On the other hand, the energy of a relatively large flow such as the swirl flow or the tumble flow described above transitions to minute turbulence as the flow collapses. Therefore, the minute disturbance in the combustion chamber increases rapidly just before the compression top dead center. FIG. 4 shows the intensity of the minute turbulence caused by the collapse of the flow shown in FIG. 3 as a so-called turbulent flow rate converted to a flow velocity, and as shown in the figure, immediately before the compression top dead center. , Disturbances increase greatly. Such minute disturbances contribute to the activation of the combustion field, and a combustion improving action is obtained.

つまり、燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。従って、圧縮上死点よりも遅角した点火時期でもって、安定した燃焼が可能であり、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界が、より遅角側となる。そのため、点火時期の大幅な遅角により、排気ガス温度を大幅に昇温させることができ、かつHC排出量が低減する。   In other words, the field in the combustion chamber near the compression top dead center where the fuel is injected does not have a large flow that moves the spray, and there are many minute disturbances that activate the combustion, It is a very stable place against the movement of the piston. Therefore, stable combustion is possible with the ignition timing retarded from the compression top dead center, and the retard limit of the ignition timing that is limited in terms of combustion stability is on the retard side. For this reason, the exhaust gas temperature can be raised significantly by a large retardation of the ignition timing, and the HC emission amount is reduced.

ここで、上記のように点火時期を大幅に遅角させた上死点噴射運転モードにおいては、特許文献1などの従来の技術に比べて、排気温度が非常に高くなるため、触媒コンバータが温度上昇する過程で、触媒コンバータ内部の温度勾配が非常に急なものとなり易い。つまり、モノリス型セラミックス触媒担体などの上流側部分のみが急激に高温となり、熱歪が大きくなる懸念が生じる。また、排気温度が非常に高くなることから、触媒温度が活性温度に達したと判定して上死点噴射運転モードを停止しても、触媒コンバータ上流側の排気系部品の熱容量や触媒自体の反応熱等によって触媒コンバータの内部温度は上昇し続け、触媒コンバータの内部温度が触媒劣化温度にまでオーバシュートしてしまう虞がある。   Here, in the top dead center injection operation mode in which the ignition timing is greatly retarded as described above, the exhaust gas temperature is very high compared to the conventional technology such as Patent Document 1, so that the catalytic converter has the temperature In the process of rising, the temperature gradient inside the catalytic converter tends to become very steep. That is, there is a concern that only the upstream portion such as the monolithic ceramic catalyst carrier rapidly becomes high in temperature and the thermal strain increases. In addition, since the exhaust temperature becomes very high, even if it is determined that the catalyst temperature has reached the activation temperature and the top dead center injection operation mode is stopped, the heat capacity of the exhaust system parts upstream of the catalytic converter and the catalyst itself The internal temperature of the catalytic converter continues to rise due to reaction heat or the like, and the internal temperature of the catalytic converter may overshoot to the catalyst deterioration temperature.

そこで、本発明では、上死点噴射運転モードを、触媒温度が触媒活性温度に達するまで継続せずに、触媒温度が触媒活性温度に達する前に、触媒コンバータの入口温度と内部温度とによる触媒コンバータの温度状態の判定に基づいて解除するようにしている。
Therefore, in the present invention, the top dead center injection operation mode is not continued until the catalyst temperature reaches the catalyst activation temperature, and the catalyst according to the inlet temperature and the internal temperature of the catalytic converter before the catalyst temperature reaches the catalyst activation temperature. The release is made based on the determination of the temperature state of the converter.

また、本発明の一つの態様では、上記入口温度が高いほど内部温度が低い段階で上記上死点噴射運転モードを解除する。
Further, in one aspect of the present invention, the internal temperature as above fill port temperature is higher releases the TDC injection operation mode at a low stage.

このように、触媒コンバータの入口温度と内部温度から上死点噴射運転モードの解除のタイミングを判断することにより、内部温度の過度のオーバシュートや過大な熱勾配の発生を回避できる。
Thus, by determining the timing of releasing the top dead center injection operation mode from the inlet temperature and the internal temperature of the catalytic converter, it is possible to avoid excessive overshoot of the internal temperature and occurrence of an excessive thermal gradient.

この発明によれば、点火時期を圧縮上死点よりも大幅に遅角させた状態で安定した燃焼を得ることができ、内燃機関の冷機時に、排気ガス温度を昇温させて触媒の早期活性化を図ることができるとともに、HC排出量の低減が可能となる。そして、触媒温度が触媒活性温度に達する前の適切なタイミングで上死点噴射運転モードが解除されるので、触媒温度の過度のオーバシュートによる熱的劣化や極端な温度勾配による触媒担体の破損等を回避することができる。
According to the present invention, stable combustion can be obtained in a state where the ignition timing is significantly retarded from the compression top dead center, and when the internal combustion engine is cold, the exhaust gas temperature is raised and the catalyst is activated early. The amount of HC emission can be reduced. Since the top dead center injection operation mode is canceled at an appropriate timing before the catalyst temperature reaches the catalyst activation temperature, thermal deterioration due to excessive overshoot of the catalyst temperature, damage to the catalyst carrier due to extreme temperature gradient, etc. Can be avoided.

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図5,図6は、この発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示しており、特に、図5,図6は、一つの気筒の構成を示し、図7は参考例として機関全体のシステム構成を示している。
5 and 6 show an embodiment of a direct injection type spark ignition internal combustion engine to which the present invention is applied. In particular, FIGS. 5 and 6 show the configuration of one cylinder, and FIG. Shows the system configuration of the entire organization as a reference example .

図5,図6に示すように、シリンダブロック1に形成されたシリンダ2にピストン3が摺動可能に配置されているとともに、シリンダブロック1上面に固定されたシリンダヘッド4と上記ピストン3との間に、燃焼室5が形成されている。上記シリンダヘッド4には、吸気弁6によって開閉される吸気ポート7と、排気弁8によって開閉される排気ポート9と、が形成されている。1つの気筒に対し、一対の吸気弁6と一対の排気弁8とが設けられており、これらの4つの弁に囲まれた燃焼室5天井面中心部に、点火プラグ10が配置されている。また、この実施例では、運転状態によってタンブル流を強化することができるように、吸気ポート7内に、該吸気ポート7内を上下2つの流路に区画する隔壁11が設けられているとともに、その下側の流路を上流端で開閉するタンブル制御弁12が設けられている。当業者には容易に理解できるように、タンブル制御弁12によって下側の流路を閉塞した状態ではタンブル流が強化され、タンブル制御弁12を開いた状態ではタンブル流が弱まる。なお、このタンブル制御弁12は本発明において必ずしも必須のものではなく、省略することも可能であり、また、これに代えて、公知のスワール制御弁を設けるようにしてもよい。   As shown in FIGS. 5 and 6, a piston 3 is slidably disposed in a cylinder 2 formed in the cylinder block 1, and a cylinder head 4 fixed to the upper surface of the cylinder block 1 and the piston 3 A combustion chamber 5 is formed between them. The cylinder head 4 is formed with an intake port 7 that is opened and closed by an intake valve 6 and an exhaust port 9 that is opened and closed by an exhaust valve 8. A pair of intake valves 6 and a pair of exhaust valves 8 are provided for one cylinder, and an ignition plug 10 is disposed at the center of the ceiling surface of the combustion chamber 5 surrounded by these four valves. . Further, in this embodiment, the intake port 7 is provided with a partition wall 11 that divides the intake port 7 into two upper and lower flow paths so that the tumble flow can be strengthened depending on the operating state. A tumble control valve 12 that opens and closes the lower flow path at the upstream end is provided. As can be easily understood by those skilled in the art, the tumble flow is strengthened when the lower flow path is closed by the tumble control valve 12, and the tumble flow is weakened when the tumble control valve 12 is opened. The tumble control valve 12 is not necessarily essential in the present invention, and can be omitted. Alternatively, a known swirl control valve may be provided.

上記シリンダヘッド4の吸気ポート7の下側、より詳しくは一対の吸気ポート7の中間部の位置には、筒内へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁15が配置されている。つまり、この燃料噴射弁15は、燃焼室5の吸気弁6側の側部に位置し、平面図上において図示せぬピストンピンと直交する方向に沿って燃料を噴射するように配置されているとともに、図5の断面図上において、斜め下方を指向して配置されている。但し、下方への傾斜角は比較的小さく、つまり水平に近い方向へ燃料を噴射する。   A fuel injection valve 15 for directly injecting fuel into the cylinder is disposed below the intake port 7 of the cylinder head 4, more specifically at a position between the pair of intake ports 7. That is, the fuel injection valve 15 is located on the side of the combustion chamber 5 on the intake valve 6 side, and is disposed so as to inject fuel along a direction orthogonal to a piston pin (not shown) on the plan view. In the cross-sectional view of FIG. However, the downward inclination angle is relatively small, that is, the fuel is injected in a direction close to the horizontal.

一方、ピストン3の頂部は、ペントルーフ型をなす燃焼室5天井面の傾斜に沿った凸部形状をなしているとともに、その中央部に、平面図上において略矩形をなす凹部16が形成されている。この凹部16の底面は、タンブル流に沿うように、所定の曲率半径の円弧面ないしは円弧に近似した湾曲面をなしている。   On the other hand, the top of the piston 3 has a convex shape along the inclination of the ceiling surface of the combustion chamber 5 that forms a pent roof type, and a concave portion 16 having a substantially rectangular shape in plan view is formed at the center. Yes. The bottom surface of the recess 16 forms an arc surface having a predetermined radius of curvature or a curved surface approximating an arc so as to follow the tumble flow.

図7に示すように、この参考例の内燃機関は、例えば直列4気筒機関であり、各気筒の排気ポート9が接続された排気通路21に、モノリス型セラミックス触媒担体を用いた排気浄化用の触媒コンバータ22が設けられており、その上流側に、酸素センサ等の空燃比センサ23が配置されている。また、各気筒の吸気ポート7が接続された吸気通路24は、その入口側に、制御信号により開閉される電子制御スロットル弁25を備えている。上記排気通路21と上記吸気通路24との間には、排気還流通路26が設けられており、その途中に、排気還流制御弁27が介装されている。また、各気筒のタンブル制御弁12は、ソレノイドバルブ28を介して導入される吸入負圧により動作する負圧式タンブル制御アクチュエータ29によって、一斉に開閉される構成となっている。
As shown in FIG. 7, the internal combustion engine of this reference example is, for example, an in-line four-cylinder engine, and is used for exhaust purification using a monolithic ceramic catalyst carrier in the exhaust passage 21 to which the exhaust port 9 of each cylinder is connected. A catalytic converter 22 is provided, and an air-fuel ratio sensor 23 such as an oxygen sensor is disposed upstream thereof. The intake passage 24 to which the intake port 7 of each cylinder is connected is provided with an electronically controlled throttle valve 25 that is opened and closed by a control signal on the inlet side. An exhaust gas recirculation passage 26 is provided between the exhaust passage 21 and the intake air passage 24, and an exhaust gas recirculation control valve 27 is interposed in the middle. Further, the tumble control valves 12 of the respective cylinders are configured to be simultaneously opened and closed by a negative pressure type tumble control actuator 29 that is operated by a suction negative pressure introduced via a solenoid valve 28.

また、上記燃料噴射弁15には、燃料ポンプ31およびプレッシャレギュレータ32によって所定圧力に調圧された燃料が、燃料ギャラリ33を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁15が制御パルスにより開弁することで、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。なお、本実施例では、燃圧は常に一定に維持される。また、各気筒の点火プラグ10は、イグニッションコイル34に接続されている。   The fuel injection valve 15 is supplied with the fuel adjusted to a predetermined pressure by the fuel pump 31 and the pressure regulator 32 via the fuel gallery 33. Therefore, when the fuel injection valve 15 of each cylinder is opened by the control pulse, an amount of fuel corresponding to the valve opening period is injected. In this embodiment, the fuel pressure is always kept constant. The ignition plug 10 of each cylinder is connected to an ignition coil 34.

上記内燃機関の燃料噴射時期や噴射量、噴射率、点火時期等は、コントロールユニット35によって制御される。このコントロールユニット35には、アクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ30の検出信号や、クランク角センサ36の検出信号、空燃比センサ23の検出信号、冷却水温を検出する水温センサ37の検出信号、等が入力されている。さらに、本実施例では、触媒コンバータ22の温度状態を判定するために、該触媒コンバータ22の入口部に配置された触媒入口温度センサ38を備えている。   The fuel injection timing, injection amount, injection rate, ignition timing, etc. of the internal combustion engine are controlled by the control unit 35. The control unit 35 includes a detection signal of an accelerator opening sensor 30 that detects the amount of depression of an accelerator pedal, a detection signal of a crank angle sensor 36, a detection signal of an air-fuel ratio sensor 23, and a detection of a water temperature sensor 37 that detects a cooling water temperature. Signals, etc. are input. Furthermore, in this embodiment, in order to determine the temperature state of the catalytic converter 22, a catalyst inlet temperature sensor 38 disposed at the inlet portion of the catalytic converter 22 is provided.

上記のように構成された内燃機関においては、暖機が完了した後の状態においては、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転が行われる。   In the internal combustion engine configured as described above, normal stratified combustion operation and homogeneous combustion operation are performed after the warm-up is completed.

すなわち、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転モードとして、基本的にタンブル制御弁12を閉じた状態の下で、圧縮行程の適宜な時期に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前の時期に点火が行われる。なお、この運転モードでは、圧縮上死点前に必ず燃料噴射が終了する。圧縮行程中にピストン3へ向けて噴射された燃料は、凹部16に沿って旋回するタンブル流を利用して点火プラグ10近傍へ集められ、ここで点火される。そのため、平均的な空燃比がリーンとなった成層燃焼が実現される。   That is, in a predetermined region on the low speed and low load side, as a normal stratified combustion operation mode, fuel injection is performed at an appropriate time in the compression stroke, with the tumble control valve 12 basically closed. Ignition is performed before the top dead center. In this operation mode, fuel injection always ends before compression top dead center. The fuel injected toward the piston 3 during the compression stroke is collected in the vicinity of the spark plug 10 using a tumble flow swirling along the recess 16 and ignited there. Therefore, stratified combustion with an average air-fuel ratio lean is realized.

また、暖機完了後の高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転モードとして、基本的にタンブル制御弁12を開いた状態の下で、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のMBT点において点火が行われる。この場合は、燃料は筒内で均質な混合気となり、基本的に理論空燃比近傍で運転が行われる。   Further, in a predetermined region on the high speed and high load side after the warm-up is completed, fuel injection is performed during the intake stroke under the condition that the tumble control valve 12 is basically opened as a normal homogeneous combustion operation mode. And ignition is performed at the MBT point before the compression top dead center. In this case, the fuel becomes a homogeneous air-fuel mixture in the cylinder and is basically operated near the stoichiometric air-fuel ratio.

これに対し、内燃機関の暖機が完了していない状態においては、触媒コンバータ22の活性化つまり温度上昇の促進とHC排出量低減のために、基本的に、上死点噴射運転モードとなる。この上死点噴射運転モードでは、前述した図1に示したように、噴射開始時期ITSが圧縮上死点(TDC)前、噴射終了時期ITEが圧縮上死点(TDC)後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ADVは、圧縮上死点(TDC)後となり、噴射開始時期ITSから10°CA〜25°CA遅れた時期に点火される。この遅れ期間の間に、燃料噴霧がちょうど点火プラグ10付近に到達し、点火プラグ10付近に可燃混合気を形成するので、確実に着火燃焼に至り、成層燃焼が行われる。このとき、燃料噴射量は、平均的な空燃比が理論空燃比となるように制御される。   On the other hand, in the state where the warm-up of the internal combustion engine is not completed, the top dead center injection operation mode is basically set in order to activate the catalytic converter 22, that is, promote the temperature rise and reduce the HC emission amount. . In this top dead center injection operation mode, as shown in FIG. 1 described above, the injection start timing ITS is before the compression top dead center (TDC), and the injection end timing ITE is after the compression top dead center (TDC). Fuel injection is performed across the dead center. The ignition timing ADV is after compression top dead center (TDC), and is ignited at a timing delayed by 10 ° CA to 25 ° CA from the injection start timing ITS. During this delay period, the fuel spray just reaches the vicinity of the spark plug 10 and forms a combustible air-fuel mixture in the vicinity of the spark plug 10, so that ignition combustion is surely performed and stratified combustion is performed. At this time, the fuel injection amount is controlled so that the average air-fuel ratio becomes the stoichiometric air-fuel ratio.

本実施例では、上記の燃料噴射時期は、噴射開始時期ITSが所定のクランク角となるように制御され、噴射終了時期ITEは、この噴射開始時期ITSと燃料噴射量(噴射時間)とによって定まる。なお、燃料噴射期間における圧縮上死点前の期間と圧縮上死点後の期間とが等しくなるように、燃料噴射量に基づき、噴射開始時期ITSと噴射終了時期ITEとを求めるようにすることも可能である。   In this embodiment, the fuel injection timing is controlled so that the injection start timing ITS becomes a predetermined crank angle, and the injection end timing ITE is determined by the injection start timing ITS and the fuel injection amount (injection time). . The injection start timing ITS and the injection end timing ITE are obtained based on the fuel injection amount so that the period before the compression top dead center and the period after the compression top dead center in the fuel injection period are equal. Is also possible.

前述したように、この上死点噴射運転モードにおいて燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、大きな流れの崩壊により噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ大きな流れの崩壊に伴い、燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。従って、圧縮上死点よりも遅角した点火時期でもって、安定した燃焼が可能であり、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界が、より遅角側となる。そのため、点火時期の大幅な遅角により、排気ガス温度を大幅に昇温させることができ、かつHC排出量が低減する。   As described above, the field in the combustion chamber near the compression top dead center where fuel is injected in this top dead center injection operation mode does not have a large flow that causes the spray to move due to the collapse of the large flow, Along with the collapse of the large flow, there are many minute disturbances that activate the combustion, and the field becomes very stable against the movement of the piston. Therefore, stable combustion is possible with the ignition timing retarded from the compression top dead center, and the retard limit of the ignition timing that is limited in terms of combustion stability is on the retard side. For this reason, the exhaust gas temperature can be raised significantly by a large retardation of the ignition timing, and the HC emission amount is reduced.

ここで、上記の上死点噴射運転モードにおいては、排気ガス温度が非常に高く得られることから、触媒コンバータ22が上流側から急速に加熱され、触媒コンバータ22の熱歪や過度の温度上昇の懸念がある。そのため、参考例では、図8のような処理により、触媒コンバータ22の温度状態を監視しつつモードの切換が行われる。
Here, in the top dead center injection operation mode, since the exhaust gas temperature is obtained extremely high, the catalytic converter 22 is rapidly heated from the upstream side, and the thermal distortion of the catalytic converter 22 or excessive temperature rise occurs. There are concerns. Therefore, in the reference example , the mode is switched while monitoring the temperature state of the catalytic converter 22 by the processing as shown in FIG.

先ず、ステップ1では、触媒入口温度センサ38により検出される触媒コンバータ22の入口温度Tを読み込むとともに、その変化速度つまり単位時間当たりの変化量dTを求める。次に、ステップ2で触媒が活性しているか否かを、例えば、機関始動時の冷却水温や始動時の触媒入口温度Tなどから判定する。暖機再始動のように既に触媒が活性状態にあれば、ステップ5へ進み、前述した通常の成層燃焼運転あるいは均質燃焼運転となる。   First, in step 1, the inlet temperature T of the catalytic converter 22 detected by the catalyst inlet temperature sensor 38 is read, and the rate of change, that is, the amount of change dT per unit time is obtained. Next, whether or not the catalyst is active in step 2 is determined from, for example, the cooling water temperature at the start of the engine or the catalyst inlet temperature T at the start. If the catalyst is already in an active state as in warm-up restart, the routine proceeds to step 5 and the above-described normal stratified combustion operation or homogeneous combustion operation is performed.

冷間始動のように触媒が未活性状態であれば、ステップ3へ進み、前述した上死点噴射運転モードを実行する。これにより、排気温度は急激に上昇する。   If the catalyst is in an inactive state as in the cold start, the process proceeds to step 3 to execute the above-described top dead center injection operation mode. As a result, the exhaust temperature rises rapidly.

その後、ステップ4において、触媒入口温度Tとその変化速度dTとに基づいて、触媒コンバータ22の温度状態が触媒完全活性前の所定の段階に達したか否か判定する。具体的には、触媒入口温度Tと変化速度dTとから、図9に示すような特性の許可条件および禁止条件のいずれの領域にあるかを繰り返し判定し、許可条件にある間は、上死点噴射運転モードを継続する。そして、禁止条件の領域に入ったときに、ステップ4からステップ5へ進み、上死点噴射運転モードを解除して通常制御へ移行する。上記の禁止条件の領域は、上死点噴射運転モードの解除後も遅れて上昇する触媒温度が完全活性温度を越えて過度にオーバシュートすることがないように設定されており、特に、変化速度dTが大であるほど、触媒入口温度Tがより低い段階で上死点噴射運転モードが解除される。従って、触媒温度の過度のオーバシュートや極端な温度勾配による熱歪みが防止される。   Thereafter, in step 4, based on the catalyst inlet temperature T and its change rate dT, it is determined whether or not the temperature state of the catalytic converter 22 has reached a predetermined stage before the catalyst is fully activated. Specifically, from the catalyst inlet temperature T and the change rate dT, it is repeatedly determined whether the region is in the permission condition or the prohibition condition of the characteristic as shown in FIG. The point injection operation mode is continued. When the prohibited condition region is entered, the process proceeds from step 4 to step 5 to cancel the top dead center injection operation mode and shift to normal control. The above-mentioned prohibition condition region is set so that the catalyst temperature that rises later even after the release of the top dead center injection operation mode does not excessively overshoot beyond the full activation temperature. The higher the dT, the higher the dead center injection operation mode is canceled when the catalyst inlet temperature T is lower. Accordingly, excessive overshoot of the catalyst temperature and thermal distortion due to an extreme temperature gradient are prevented.

以下、触媒コンバータ22の温度変化について説明する。図10は、一例として、冷間始動後の触媒コンバータの入口温度(排気温度にほぼ等しい)および内部温度の変化を示し、破線は、始動後に通常の燃焼運転を継続した場合の特性を、実線は、始動後に上死点噴射運転モードを継続した場合の特性を示す。図示するように、上死点噴射運転モードでは、排気温度(入口温度)が始動後に急激に上昇し、内部温度が触媒活性温度(完全活性温度)T1に達するまでの所要時間は大幅に短縮される。しかし、入口温度と内部温度との温度差(換言すれば触媒担体の温度勾配)に着目すると、内部温度が触媒活性温度T1に達したときの温度差ΔTとしては、実線で示す上死点噴射運転モードによる急激な加熱の方が、破線で示す緩やかな加熱の場合よりも、大きくなる。つまり、上死点噴射運転モードにより急激に昇温すると、一般に熱歪みが大となる傾向にある。   Hereinafter, the temperature change of the catalytic converter 22 will be described. FIG. 10 shows, as an example, changes in the inlet temperature (approximately equal to the exhaust gas temperature) and the internal temperature of the catalytic converter after the cold start, and the broken line shows the characteristics when the normal combustion operation is continued after the start. Indicates the characteristics when the top dead center injection operation mode is continued after the start. As shown in the figure, in the top dead center injection operation mode, the exhaust temperature (inlet temperature) rises sharply after startup, and the time required until the internal temperature reaches the catalyst activation temperature (complete activation temperature) T1 is greatly reduced. The However, paying attention to the temperature difference between the inlet temperature and the internal temperature (in other words, the temperature gradient of the catalyst carrier), the temperature difference ΔT when the internal temperature reaches the catalyst activation temperature T1 is the top dead center injection indicated by the solid line. The rapid heating in the operation mode is larger than the gentle heating shown by the broken line. That is, when the temperature is rapidly increased in the top dead center injection operation mode, the thermal distortion generally tends to increase.

また、図11は、内部温度が触媒活性温度T1に達した時点で上死点噴射運転モードを解除した場合の比較例を示している。この場合、上死点噴射運転モードを解除した後も、触媒コンバータ上流側の排気系部品の熱容量や触媒自体の反応熱等によって触媒コンバータの内部温度は上昇し続け、条件によっては、触媒コンバータの内部温度が触媒劣化温度にまでオーバシュートしてしまう虞がある。   FIG. 11 shows a comparative example when the top dead center injection operation mode is canceled when the internal temperature reaches the catalyst activation temperature T1. In this case, even after canceling the top dead center injection operation mode, the internal temperature of the catalytic converter continues to rise due to the heat capacity of the exhaust system components upstream of the catalytic converter, the reaction heat of the catalyst itself, etc. The internal temperature may overshoot to the catalyst deterioration temperature.

これに対し、図12は、参考例の場合の触媒コンバータの温度変化を示しており、内部温度が触媒活性温度T1に達する前に、上死点噴射運転モードが解除される。このとき、内部温度は触媒活性温度T1よりも低い例えば温度T2であり、上死点噴射運転モードの解除後、この温度T2からさらに温度上昇するものの、触媒劣化温度に達することはない。また、上死点噴射運転モードの解除に伴って入口温度は速やかに低下するため、内部温度が触媒活性温度T1に達した段階での内部温度と入口温度との温度差ΔTは、図12や図11の場合よりも小さくなる。
On the other hand, FIG. 12 shows the temperature change of the catalytic converter in the case of the reference example , and the top dead center injection operation mode is canceled before the internal temperature reaches the catalyst activation temperature T1. At this time, the internal temperature is, for example, temperature T2 lower than the catalyst activation temperature T1, and after the top dead center injection operation mode is released, the temperature further rises from this temperature T2, but does not reach the catalyst deterioration temperature. Further, since the inlet temperature quickly decreases with the release of the top dead center injection operation mode, the temperature difference ΔT between the internal temperature and the inlet temperature when the internal temperature reaches the catalyst activation temperature T1 is shown in FIG. It becomes smaller than the case of FIG.

なお、上記参考例では、触媒コンバータ22の入口温度Tを触媒入口温度センサ38により直接に検出するようにしているが、入口温度Tは内燃機関の吸入空気量に相関するので、この吸入空気量に基づいて入口温度Tを推定することも可能である。
In the above reference example , the inlet temperature T of the catalytic converter 22 is directly detected by the catalyst inlet temperature sensor 38. However, since the inlet temperature T correlates with the intake air amount of the internal combustion engine, this intake air amount. It is also possible to estimate the inlet temperature T based on.

次に、図13〜図15は、この発明の第1の実施例を示しており、この実施例では、触媒コンバータ22の温度状態を判定するために、図13に示すように、該触媒コンバータ22の入口部に配置された触媒入口温度センサ38に加えて、モノリス型セラミックス触媒担体の長手方向中央部に配置された触媒温度センサ39を備えている。従って、触媒入口温度Tとともに、触媒コンバータ22の内部温度TCが検出される。
Next, FIGS. 13 to 15 show a first embodiment of the present invention. In this embodiment, in order to determine the temperature state of the catalytic converter 22, as shown in FIG. In addition to the catalyst inlet temperature sensor 38 disposed at the inlet portion 22, a catalyst temperature sensor 39 disposed at the center in the longitudinal direction of the monolith ceramic catalyst carrier is provided. Therefore, the internal temperature TC of the catalytic converter 22 is detected together with the catalyst inlet temperature T.

本実施例では、図14のような処理により、触媒コンバータ22の温度状態を監視しつつモードの切換が行われる。   In this embodiment, the mode is switched while monitoring the temperature state of the catalytic converter 22 by the processing as shown in FIG.

先ず、ステップ1では、触媒入口温度センサ38により検出される触媒コンバータ22の入口温度Tと、触媒温度センサ39により検出される触媒コンバータ22の内部温度TCを読み込む。次に、ステップ2で触媒が活性しているか否かを、例えば、機関始動時の内部温度TCや冷却水温などから判定する。暖機再始動のように既に触媒が活性状態にあれば、ステップ5へ進み、前述した通常の成層燃焼運転あるいは均質燃焼運転となる。   First, in step 1, the inlet temperature T of the catalytic converter 22 detected by the catalyst inlet temperature sensor 38 and the internal temperature TC of the catalytic converter 22 detected by the catalyst temperature sensor 39 are read. Next, whether or not the catalyst is active in step 2 is determined from, for example, the internal temperature TC at the time of engine start, the cooling water temperature, or the like. If the catalyst is already in an active state as in warm-up restart, the routine proceeds to step 5 and the above-described normal stratified combustion operation or homogeneous combustion operation is performed.

冷間始動のように触媒が未活性状態であれば、ステップ3へ進み、前述した上死点噴射運転モードを実行する。これにより、排気温度は急激に上昇する。   If the catalyst is in an inactive state as in the cold start, the process proceeds to step 3 to execute the above-described top dead center injection operation mode. As a result, the exhaust temperature rises rapidly.

その後、ステップ4において、触媒入口温度Tと内部温度TCとに基づいて、触媒コンバータ22の温度状態が触媒完全活性前の所定の段階に達したか否か判定する。具体的には、触媒入口温度Tと内部温度TCとから、図15に示すような特性の許可条件および禁止条件のいずれの領域にあるかを繰り返し判定し、許可条件にある間は、上死点噴射運転モードを継続する。そして、禁止条件の領域に入ったときに、ステップ4からステップ5へ進み、上死点噴射運転モードを解除して通常制御へ移行する。上記の禁止条件の領域は、上死点噴射運転モードの解除後も遅れて上昇する触媒温度が完全活性温度を越えて過度にオーバシュートすることがないように設定されており、特に、排気温度を示す入口温度Tが高いほど、内部温度TCがより低い段階で上死点噴射運転モードが解除される。従って、触媒温度の過度のオーバシュートや極端な温度勾配による熱歪みが防止される。   Thereafter, in step 4, it is determined whether the temperature state of the catalytic converter 22 has reached a predetermined stage before the catalyst is fully activated based on the catalyst inlet temperature T and the internal temperature TC. Specifically, from the catalyst inlet temperature T and the internal temperature TC, it is repeatedly determined whether the region is in the permission condition or the prohibition condition of the characteristic as shown in FIG. The point injection operation mode is continued. When the prohibited condition region is entered, the process proceeds from step 4 to step 5 to cancel the top dead center injection operation mode and shift to normal control. The above-mentioned prohibition condition region is set so that the catalyst temperature that rises after the release of the top dead center injection operation mode does not excessively overshoot beyond the full activation temperature. The higher the inlet temperature T is, the higher the dead center injection operation mode is canceled when the internal temperature TC is lower. Accordingly, excessive overshoot of the catalyst temperature and thermal distortion due to an extreme temperature gradient are prevented.

なお、上記実施例では、触媒コンバータ22の入口温度Tを触媒入口温度センサ38により直接に検出するようにしているが、入口温度Tは内燃機関の吸入空気量に相関するので、この吸入空気量に基づいて入口温度Tを推定することも可能である。   In the above embodiment, the inlet temperature T of the catalytic converter 22 is directly detected by the catalyst inlet temperature sensor 38, but the inlet temperature T correlates with the intake air amount of the internal combustion engine. It is also possible to estimate the inlet temperature T based on.

また、上記実施例では、触媒コンバータ22の内部温度TCを触媒温度センサ39により直接に検出するようにしているが、他のパラメータ、例えば触媒温度に相関する触媒コンバータ22の酸素ストレージ能力から内部温度TCを推定することも可能である。具体的には、図16に示すように、触媒コンバータ22の上流側の上流側空燃比センサ23に加えて、触媒コンバータ22下流側に下流側空燃比センサ40が設けられている。そして、図17の上段に示すように、内燃機関の空燃比(排気空燃比)が適当な周期・振幅で振動するように空燃比制御が行われる。これは、一般的な空燃比フィードバック制御の技術を利用することができる。この空燃比変化に対し、上流側空燃比センサ23の検出空燃比は、機関の空燃比変化をそのまま反映したものとなる。一方、下流側空燃比センサ40の検出空燃比は、図17の下段に示すように、触媒コンバータ22が未活性の段階では、酸素ストレージ能力が低いため、上流側空燃比センサ23の信号と同様に変化するが、触媒コンバータ22の温度が上昇すると、酸素ストレージ能力が高くなり、図示するように、周期が長くかつ振幅が小さなものとなる。従って、両者の関係から、触媒が完全活性前の活性開始温度に達したことを検知することができる。   In the above embodiment, the internal temperature TC of the catalytic converter 22 is directly detected by the catalyst temperature sensor 39. However, the internal temperature is determined from other parameters, for example, the oxygen storage capacity of the catalytic converter 22 correlated with the catalyst temperature. It is also possible to estimate TC. Specifically, as shown in FIG. 16, in addition to the upstream air-fuel ratio sensor 23 upstream of the catalytic converter 22, a downstream air-fuel ratio sensor 40 is provided downstream of the catalytic converter 22. Then, as shown in the upper part of FIG. 17, air-fuel ratio control is performed so that the air-fuel ratio (exhaust air-fuel ratio) of the internal combustion engine oscillates with an appropriate period and amplitude. For this, a general air-fuel ratio feedback control technique can be used. With respect to this change in air-fuel ratio, the air-fuel ratio detected by the upstream air-fuel ratio sensor 23 directly reflects the change in the air-fuel ratio of the engine. On the other hand, the detected air-fuel ratio of the downstream air-fuel ratio sensor 40 is the same as the signal of the upstream air-fuel ratio sensor 23 because the oxygen storage capacity is low when the catalytic converter 22 is inactive as shown in the lower part of FIG. However, as the temperature of the catalytic converter 22 rises, the oxygen storage capacity increases, and as shown in the figure, the cycle is long and the amplitude is small. Therefore, it can be detected from the relationship between the two that the catalyst has reached the activation start temperature before the complete activation.

本発明の燃料噴射期間および点火時期の一例を示した特性図。The characteristic view which showed an example of the fuel-injection period and ignition timing of this invention. サイクル中のピストン位置変化量と体積変化量の特性図。The characteristic figure of the piston position change amount and volume change amount during a cycle. 大きな流れのサイクル中の変化を示す特性図。The characteristic figure which shows the change in the cycle of a big flow. 微小な乱れのサイクル中の変化を示す特性図。The characteristic view which shows the change in the cycle of a minute disturbance. 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示す断面図。Sectional drawing which shows one Example of a direct injection type spark ignition internal combustion engine. 同じく平面図。FIG. この内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。FIG. 2 is a configuration explanatory view showing the system configuration of the entire internal combustion engine. 始動時のモード切換の処理を示すフローチャート。The flowchart which shows the mode switching process at the time of a start. 上死点噴射運転モードの許可・禁止領域を示す特性図。The characteristic view which shows the permission / prohibition area | region of top dead center injection operation mode. 上死点噴射運転モードを継続した場合の触媒入口温度と内部温度の変化を、通常の燃焼運転を継続した場合と対比して示す特性図。The characteristic view which shows the change of the catalyst inlet_port | entrance temperature and internal temperature at the time of continuing a top dead center injection operation mode compared with the case where a normal combustion operation is continued. 内部温度が触媒活性温度に達したときに上死点噴射運転モードを解除した場合の温度変化を示す特性図。The characteristic view which shows the temperature change at the time of canceling | releases a top dead center injection operation mode when internal temperature reaches catalyst activation temperature. 参考例による触媒入口温度と内部温度の変化を示す特性図。 The characteristic view which shows the change of the catalyst inlet_port | entrance temperature and internal temperature by a reference example . 実施例を示す構成説明図。Structure explanatory drawing which shows the 1st example. この第実施例の処理を示すフローチャート。The flowchart which shows the process of this 1st Example. この第実施例の場合の許可・禁止領域を示す特性図。The characteristic view which shows the permission / prohibition area | region in the case of this 1st Example. 実施例を示す構成説明図。Structure explanatory drawing which shows 2nd Example. この第実施例における上流側空燃比センサの検出空燃比と下流側空燃比センサの検出空燃比とを示す特性図。The characteristic view which shows the detection air fuel ratio of the upstream air fuel ratio sensor in this 2nd Example, and the detection air fuel ratio of a downstream air fuel ratio sensor.

符号の説明Explanation of symbols

3…ピストン
5…燃焼室
10…点火プラグ
15…燃料噴射弁
23…(上流側)空燃比センサ
38…触媒入口温度センサ
39…触媒温度センサ
40…下流側空燃比センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Piston 5 ... Combustion chamber 10 ... Spark plug 15 ... Fuel injection valve 23 ... (Upstream side) Air fuel ratio sensor 38 ... Catalyst inlet temperature sensor 39 ... Catalyst temperature sensor 40 ... Downstream air fuel ratio sensor

Claims (5)

筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、排気系に設けられた触媒コンバータの昇温が要求されたときに、上死点噴射運転モードとして、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うとともに、触媒温度が触媒活性温度に達する前に触媒コンバータの入口温度と内部温度とによる触媒コンバータの温度状態の判定に基づいて上記上死点噴射運転モードを解除することを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。 In a control device for an in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine that includes a fuel injection valve that directly injects fuel into a cylinder and that includes an ignition plug, the temperature of a catalytic converter provided in an exhaust system is required to be increased. Sometimes, as a top dead center injection operation mode, fuel injection is performed in a period across the compression top dead center such that the injection start time is before the compression top dead center and the injection end time is after the compression top dead center, and Ignition is performed after the compression top dead center delayed from the injection start timing, and the top dead center is determined based on the determination of the temperature state of the catalytic converter based on the inlet temperature and the internal temperature of the catalytic converter before the catalyst temperature reaches the catalytic activation temperature. A control apparatus for an in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine, wherein the point injection operation mode is canceled. 上記入口温度が高いほど内部温度が低い段階で上記上死点噴射運転モードを解除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内燃機関の制御装置。2. The control apparatus for a direct injection type spark ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein the top dead center injection operation mode is canceled when the internal temperature is lower as the inlet temperature is higher. 上記入口温度を、内燃機関の吸入空気量に基づいて推定することを特徴とする請求項1または2に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。3. The control apparatus for a direct injection spark ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein the inlet temperature is estimated based on an intake air amount of the internal combustion engine. 上記内部温度を、触媒温度に相関する触媒コンバータの酸素ストレージ能力から推定することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。4. The control apparatus for a direct injection spark ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein the internal temperature is estimated from an oxygen storage capacity of a catalytic converter correlated with a catalyst temperature. 触媒コンバータの上流側に設けられた上流側空燃比検出手段と下流側に設けられた下流側空燃比検出手段とを備え、上記上流側空燃比検出手段の検出信号の変化と下流側空燃比検出手段の検出信号の変化との関係から上記酸素ストレージ能力を推定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内燃機関の制御装置。An upstream air-fuel ratio detecting means provided upstream of the catalytic converter and a downstream air-fuel ratio detecting means provided downstream; a change in detection signal of the upstream air-fuel ratio detecting means and downstream air-fuel ratio detection; 5. The control apparatus for a direct injection spark ignition internal combustion engine according to claim 4, wherein the oxygen storage capacity is estimated from a relationship with a change in a detection signal of the means.
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