JP4492512B2 - 筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮行程時に燃料噴射を実行可能な筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置に関するものである。

従来より、筒内（シリンダ内）に直接燃料を噴射する筒内噴射型のガソリンエンジンが実用化されている。一般的に、このような筒内噴射型のガソリンエンジンにおいては、圧縮行程に燃料を噴射する圧縮行程噴射モードと吸気行程に燃料を噴射する吸気行程噴射モードとが切り換え可能に設定されている。
このうち、圧縮行程噴射モード（圧縮リーン噴射モード）では、ピストンが上昇する途中で燃料を噴射するモードであって、ピストンが圧縮行程上死点近傍にあるときに点火プラグへ向けて燃料を噴射して、この燃料に直接点火するようにした噴射モード（スプレーガイド噴射モード）と、圧縮行程の上死点前に燃料を噴射し、ピストンの上昇により燃料を点火プラグ近傍に集めて点火するモード（ウォールガイド噴射モード）とをそなえたものが公知である。

ウォールガイド噴射モードは、気筒内で形成される層状の吸気流を利用した層状燃焼により超希薄（超リーン）な空燃比で安定した燃焼を実現する噴射モードである。この噴射モードでは、ピストンに向けて噴射した燃焼噴霧がピストンの上昇により集められ、点火プラグの先端付近では比較的リッチな混合気を形成するとともに、この混合気の周囲には略空気のみの層が形成される。したがって、全体としては極めて希薄な空燃比（例えばＡ／Ｆ２０〜２５）としながら良好な燃焼を実現でき、燃費を節約しながら運転することができる。

また、スプレーガイド噴射モードでは、点火プラグへ向けて燃料を直接的に噴射することで、燃焼室内に層状希薄状態を形成することができ、上述のウォールガイド噴射モードよりもさらに超希薄な空燃比（例えばＡ／Ｆ２５〜４０）で安定した燃焼状態を得ることができる。
一方、吸気行程噴射モードでは、燃料の予混合により燃焼室全体の空燃比状態を均一化しながら、安定した着火と確実な火炎伝播を実現して十分な高出力を得られるように運転を行なうことができる。なお、吸気行程噴射モードには、空燃比を理論空燃比（ストイキオ）近傍として大きな出力を得られるようにしたストイキオモードと、空燃比をストイキオよりも希薄（例えばＡ／Ｆ１５〜２０）にして燃費の向上を図るリーンモードと、急加速時等に一時的に空燃比をストイキオよりも濃化（リッチ）にするエンリッチモード等が設けられている。

そして、このような筒内噴射エンジンでは、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて、圧縮行程噴射モード（圧縮リーンモード），吸気行程噴射ストイキオモード（ストイキオモード），吸気行程噴射リーンモード（吸気リーンモード），吸気行程噴射エンリッチモード（エンリッチモード）等の各運転モードが切り換えられる。例えばアイドル運転時のような低負荷運転時には、スプレーガイド噴射モードで燃料噴射を行うことにより、燃費の低減を図ることができる。

なお、下記の特許文献１には、圧縮行程噴射モードとして、燃料噴射中又は燃料噴射直後のピストンに衝突する以前の燃料に点火する第１の運転モードと、燃料噴射終了後ピストンを経由した燃料に点火する第２の運転モードとをそなえ、これらの運転モードをエンジン運転状態に応じて切り換える技術が開示されている。
特開２００４−３５３５９４号公報

一般に、アイドル運転時にエンジン負荷が増大すると空燃比Ａ／Ｆをリッチ化することにより、エンジン回転数の低下が抑制されるが、燃料噴射モードがスプレーガイド噴射モードのときには、空燃比Ａ／Ｆをリッチ化すると燃焼安定性が悪化するおそれがある。
ここで、図７はスプレーガイド噴射モード時の燃焼特性を示す図であり、横軸は燃料噴射時期、縦軸は点火時期である。図示するように、この運転モードでは、Ａ／Ｆを小さくするほど（すなわちリッチ化するほど）、燃焼安定領域を示す面積が小さくなり燃焼安定性が低下する。したがって、上述のように負荷増大時に空燃比をリッチ化すると、却って失火を招いてエンジン回転数の変動が生じ、やがて失火によりエンジンがストールするおそれがある。

特に、エンジン冷態始動時には潤滑油の油温及び自動変速機（特にトルクコンバータ）の作動油（ＡＴＦ）の油温が低いため粘性抵抗が大きく、ニュートラルレンジであっても負荷が高くなる。このため、圧縮行程噴射では出力トルクが不足することが考えられるので、エンジン冷態始動時であることが判定されると、圧縮行程噴射を禁止して吸気行程噴射を実行する。

ところで、エンジンの排気通路には排気浄化触媒が設けられている。排気浄化触媒は、所定の温度（例えば３５０℃）以上で活性化するが、冷態時始動時には、排気浄化触媒が活性化温度以下となって排ガス浄化機能が低下していることが考えられる。
そこで、排気浄化触媒を速やかに活性化温度まで昇温する必要があるが、このときに吸気行程噴射で燃料噴射を実行するとＡ／Ｆが比較的リッチに設定されているため、排気中に残存する酸素が低下しており、したがって、触媒昇温のために追加燃料噴射を実行しても追加燃料が完全に燃焼せずに、排気浄化触媒の昇温が速やかに行われないという課題がある。また、この場合吸気行程噴射を実行しているため、燃費が良くないという課題がある。

本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、燃費性能の向上を図りながら、排気浄化触媒の早期の昇温を図るようにした、筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

本発明の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置は、筒内に燃料を直接噴射して点火プラグにより着火する筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置であって、該内燃機関の圧縮行程時に該燃料を噴射する圧縮行程噴射モードとして圧縮行程上死点近傍において燃料プラグに向けて燃料を噴射するとともに、該燃料に直接点火する第１の燃料噴射モードと、圧縮行程時に該第１の燃料噴射モードの燃料噴射タイミングよりも早期のタイミングで燃料を噴射するとともに、ピストンの上昇により該燃料を点火プラグ近傍に集めて点
火する第２の燃料噴射モードとを切り換える制御手段と、該内燃機関の始動時に所定の運転条件が成立すると排気浄化触媒の昇温制御を実行する触媒昇温制御手段とをそなえ、該制御手段は、該第所定の運転条件が成立したことが判定されると、該燃料噴射モードを該第２の燃料噴射モードに設定し、該所定の運転条件が成立するのは、該内燃機関の冷態始動時から所定時間以内であって、且つ該内燃機関の冷却水温が所定の温度範囲内であって、且つ該内燃機関が無負荷運転状態であって、且つ燃料の圧力が所定圧力以上である場合であることを特徴としている（請求項１）。

また、該触媒昇温制御手段は、該排気浄化触媒の昇温制御実行時には、該内燃機関の膨張行程において追加燃料噴射を実行するのが好ましい（請求項２）。

また、該制御手段は、該所定の運転条件が成立したことが判定されると所定時間だけ該燃料噴射モードを該第２の燃料噴射モードに設定するとともに、触媒昇温制御手段は、該所定時間だけ触媒昇温制御を実行するのが好ましい（請求項３）。
また、該所定時間が該内燃機関の冷却水温に基づいて設定されるのが好ましい（請求項４）。

さらに、該第２の燃料噴射モードでは、リーン領域で該第１の燃料噴射モードよりも過濃側の空燃比に設定されるのが好ましい（請求項５）。

本発明の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、排気浄化触媒の昇温制御を実行する運転条件（所定の運転条件）が成立すると、燃料噴射モードを圧縮行程噴射モードのうち空燃比がリッチになるほど燃焼安定領域が広がる第２の燃料噴射モードに設定するので、燃費性能の向上を図りながら排気浄化触媒の早期の昇温を図ることができる。
つまり、圧縮行程噴射モードはもともと空燃比が吸気行程噴射モードに比べると大幅にリーンであるので、排気中の酸素濃度が高くなる。したがって、触媒昇温制御が必要な場合には、圧縮行程噴射である第２の燃料噴射モードを実行することにより、触媒昇温用に燃料を多めに供給した際に、燃料が安定して酸化反応（燃焼）し、触媒の昇温を図ることができる。また、圧縮行程噴射モードを実行することにより、燃費性能の向上を図ることができる。

また、本発明の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、排気浄化触媒の昇温制御を実行する運転条件（所定の運転条件）が成立すると、燃料噴射モードを圧縮行程噴射モードのうちピストンの上昇により該燃料を点火プラグ近傍に集めて点火する第２の燃料噴射モードに設定するので、触媒昇温用に燃料を多めに供給しても、燃料が安定して酸化反応（燃焼）し、触媒の昇温を図ることができる。

以下、図１〜図５を用いて本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置を説明すると、図１はその要部の機能構成を示す模式的なブロック図、図２及び図３は内燃機関の要部構成を示す模式図であって、図２は第１の燃料噴射モードについて説明するための図、図３は第２の燃料噴射モードについて説明するための図、図４は第１及び第２の燃料噴射モードの特性について説明するための図、図５はその作用について説明するためのフローチャートである。

図２及び図３に示すように、本発明に適用される内燃機関（エンジン）は、筒内に直接燃料を噴射して点火するようにした筒内噴射型内燃機関１であって、本実施形態ではガソリンエンジンが適用されている。
図示するように、このエンジン１の燃焼室３は、シリンダヘッド８の下面と、シリンダ７の壁面と、ピストン２の頂面とにより形成されている。また、シリンダヘッド８には燃料噴射弁（以下、単にインジェクタという）４が取り付けられている。このインジェクタ４は、その先端側が燃焼室３に臨むように配設されており、このインジェクタ４から燃焼室３内に直接燃料が噴射されるようになっている。

一方、燃焼室３の下面を形成するピストン２の頂面には、図示するような凹部（キャビティという）６が形成されており、この凹部６は、本実施形態では下に凸状に湾曲した球面状に形成されている。なお、このような凹部６の形状としては球面に限定されるものではなく種々の形状を適用することができる。
また、シリンダヘッド８の中央よりもやや偏倚した位置に点火プラグ５が取り付けられている。そして、インジェクタ4と点火プラグ５は、少なくともインジェクタ４から供給される燃料が直接点火プラグ５の先端に到達可能なように燃料噴射方向や点火プラグ５の突き出し量等が設定されている。

ところで、図１に示すように、エンジン１には、その作動全般を電気的に制御するＥＣＵ（制御手段；コントローラ）１１が付設されている。
また、上記コントローラ１１の入力側にはエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ１５、エンジン負荷としての吸気量を検出するエアフローセンサ（ＡＦＳ）１６、アクセルの開度を検出するアクセル開度センサ（ＡＰＳ）１７が接続されている。

また、コントローラ１１内には、燃料噴射モードを切り換えるための燃料噴射モード切り換え手段１２が設けられており、上述のエンジン回転数センサ１５及びアクセル開度センサ１７で得られるエンジン回転数Ｎｅ及び負荷（エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度とから求められる目標Ｐｅ）に基づいて、この燃料噴射モード切り換え手段１２により燃料噴射モードが設定されるようになっている。なお、アクセル開度センサ１７に代えてスロットル開度センサ等を設け、これらのセンサの検出情報に基づいてエンジン負荷を検出するようにしてもよい。

ここで、図示するように、燃料噴射モード切り換え手段１２には、インジェクタ４に対して吸気行程噴射に適したタイミングでインジェクタ駆動信号を出力する吸気行程噴射用インジェクタ制御手段１３と、インジェクタ４に対して圧縮行程噴射に適したタイミングでインジェクタ駆動信号を出力する圧縮行程噴射用インジェクタ制御手段１４とをそなえている。

また、燃料噴射モード切り換え手段１２には、エンジン回転数Ｎｅ及び負荷Ｐｅをパラメータとしたマップ（図示省略）が記憶されており、これらのパラメータに応じた燃料噴射モードがマップから読み出されて、燃料噴射モードが設定されるようになっている。そして、圧縮行程噴射モードが可能である第１の所定の運転条件が成立すると、圧縮行程噴射モードが選択され、これ以外では吸気行程噴射モードが選択されるようになっている。なお、ここで第１の所定の運転条件とは、スロットル開度閉（無負荷又はアイドル相当）、水温が温態（例えば８０℃以上）、車両停止中（車速＝０）、燃圧が所定値以上等であって、具体的には温態のアイドル運転中に相当する。

そして、圧縮行程噴射モードが選択されると、圧縮行程噴射用インジェクタ制御手段１４からインジェクタ４に対する制御信号が出力されて、インジェクタ４の作動が制御される。この場合には、圧縮行程にあるときに燃料噴射を行い、燃焼室内に全体として超リーンな混合気を形成して燃焼を行う。
また、吸気行程噴射モードが選択されると、吸気行程噴射用インジェクタ制御手段１３からインジェクタ４に対する制御信号が出力されて、インジェクタ４の作動が制御される。この場合には、吸気行程にあるときに燃料噴射を行い、燃焼室内にエンジン１の運転状態に応じた空燃比の混合気を形成して燃焼を行う。

また、燃料噴射モードとしては、上述のような圧縮行程噴射モードと吸気行程噴射モードとに大別されるが、これらの各モードにはさらに複数の異なる燃料噴射モードが設けられている。このうち圧縮行程噴射モード（圧縮リーン噴射モード）としては、ピストン２が圧縮行程上死点近傍にあるときに点火プラグ５へ向けて燃料を噴射して、この燃料に直接点火するようにした噴射モード（スプレーガイド噴射モード；第１の燃料噴射モード、図２参照）と、圧縮行程の上死点前にピストン２の凹部６に向けて燃料を噴射し、ピストン２の上昇により燃料を点火プラグ５の近傍に集めて点火するモード（ウォールガイド噴射モード；第２の燃料噴射モード、図３参照）とをそなえている。

このうちウォールガイド噴射モードは、気筒内で形成される層状の吸気流を利用した層状燃焼により超希薄（超リーン）な空燃比で安定した燃焼を実現する噴射モードである。この噴射モードでは、図３に示すように、ピストン２の凹部６に向けて噴射した燃焼噴霧がピストン２の上昇により集められ、点火プラグ５の先端付近では比較的リッチな混合気を形成するとともに、この混合気の周囲には略空気のみの層が形成される。したがって、全体としては極めて希薄な空燃比（例えばＡ／Ｆ２０〜２５）としながら良好な燃焼を実現でき、燃費を節約しながら運転することができる。

また、スプレーガイド噴射モードでは、図２に示すように、点火プラグ５へ向けて燃料を直接的に噴射することで、燃焼室３内に層状希薄状態を形成することができ、上述のウォールガイド噴射モードよりもさらに超希薄な空燃比（例えばＡ／Ｆ２５〜４０）で安定した燃焼状態を得ることができる。
なお、本実施形態においては、燃料噴射を開始するタイミングを変更することでこれら２つのモード（スプレーガイド噴射モード及びウォールガイド噴射モード）を切り換えることができる。

一方、吸気行程噴射モードでは、燃料の予混合により燃焼室全体の空燃比状態を均一化しながら、安定した着火と確実な火炎伝播を実現して十分な高出力を得られるように運転を行なうことができ、空燃比を理論空燃比（ストイキオ）近傍として大きな出力を得られるようにしたストイキオモード、空燃比をストイキオよりも希薄（例えばＡ／Ｆ１５〜２０）にして燃費の向上を図るリーンモードと、急加速時等に一時的に空燃比をストイキオよりも濃化（リッチ）にするエンリッチモード等が設けられている。

なお、吸気行程噴射モードについては従来より広く知られたものであるので、この吸気行程噴射モードについての説明については省略する。
次に、本発明の要部について説明する。図４はスプレーガイド噴射モードとウォールガイド噴射モードとの特性について説明する図であって、横軸が燃料噴射時期、縦軸が点火時期を示しており、安定した燃焼を得られる領域を空燃比（Ａ／Ｆ）毎に示している。

この図からもわかるように、スプレーガイド噴射モードでは安定した燃焼を得られる空燃比は２５〜４０程度であり、空燃比がリーンになるほど燃焼安定領域が広がる特性を有している。一方、ウォールガイド噴射モードでは、安定した燃焼を得られる空燃比は２０〜２５程度であり空燃比がリッチになるほど燃焼安定領域が広がる特性を有している。
このようなスプレーガイド噴射モードでは空燃比が２５〜４０と非常にリーンであるため燃費の向上を図ることができるものの、アイドリング時には僅かな負荷の変動に対しても影響を受けやすくなり、回転変動が生じやすくなる。

エンジン１の負荷が増大してエンジン回転数が低下すると、通常はエンジン回転数を上昇させるべくスロットル開度を増大させるとともに目標空燃比Ａ／Ｆを低減して（リッチ化して）エンジン回転数の復帰を図るが、スプレーガイド噴射モードでは、図４に示すようにリッチ化すると安定燃焼領域が狭くなり、失火によるエンストを招く。
そこで、負荷が増大すると空燃比をリッチ化しても安定した燃焼が得られるウォールガイド噴射モードに切り換えられるようになっている。

ところで、エンジン冷態始動時には潤滑油の油温及び自動変速機（特にトルクコンバータ）の作動油の油温が低いため粘性抵抗が大きく、ニュートラルレンジであっても負荷が高くなる。このため、このようなエンジン冷態始動時にも、ウォールガイド噴射モードに切り換えることが考えられるが、エンジン冷態始動時には、上述した第１の所定の運転条件が満たされないので、吸気行程噴射モードに切り換えられる。

これは、第１の所定の運転条件が、本来冷態始動時における圧縮行程噴射モードを禁止するべく設けられているからである。つまり、圧縮行程噴射モードでは発生するトルクが小さいため、冷態始動時のようにアイドル運転であっても負荷が大きい場合（すなわち、比較的大きなトルクが要求される場合）には、スプレーガイド噴射モード及びウォールガイド噴射モードを有する圧縮行程噴射モードを禁止して、大きなトルクを出力可能な吸気行程噴射モードが選択されるようになっているのである。

一方、図示はしないが、このエンジンの排気通路には排ガスを浄化するための排気浄化触媒（以下、単に触媒という）が設けられている。排気浄化触媒は、所定の温度（例えば３５０℃）以上で活性化するが、冷態時始動時には、排気浄化触媒が活性化温度以下となって排ガス浄化機能が低下していることが考えられる。
そこで、排気浄化触媒を速やかに活性化温度まで昇温する必要があるが、このような冷態始動時は吸気行程噴射モードで燃料噴射を実行すると、空燃比Ａ／Ｆが比較的リッチに設定されるため排気中に残存する酸素が少なくなる。したがって、触媒昇温のために追加燃料噴射を実行しても追加燃料が完全に燃焼せずに、排気浄化触媒の昇温が速やかに行われない。また、吸気行程噴射では燃費低減効果が得られない。

そこで、本実施形態では、例えば冷態始動により第１の所定の運転条件が成立していなくても、触媒の昇温が必要な状態であると判定した場合には、圧縮行程噴射のウォールガイド噴射モードを実行するようになっている。
以下、詳細に説明すると、図１に示すように、コントローラ１１には触媒の昇温制御を実行する触媒昇温制御手段２０が設けられている。また、コントローラ１１には上述したエンジン回転数センサ１５やエアフローセンサ１６のほかに、エンジン１の始動を検出するイグニッションスイッチ２１、アクセルオフを検出するアイドルスイッチ２２、エンジン冷却水の温度Ｔｗを検出する水温センサ２３、車両の走行速度を検出する車速センサ２４、燃料の圧力Ｐを検出する燃圧センサ２４が接続されている。

そして、触媒昇温制御手段２０では、イグニッションスイッチ２１からの情報に基づいてイグニッションオンを判定すると、図示しないタイマのカウントを開始させる。また、イグニッションオンの場合には水温センサからの情報を取り込んで、所定温度（ここでは８０℃）以上あれば温態始動と判定し、所定温度未満であれば冷態始動と判定する。また、冷態始動（Ｔｗ＜８０℃）と判定した場合には、水温Ｔｗが所定の温度範囲内（例えば１０℃＜Ｔｗ＜５０℃）にあるか否かを判定する。

そして、冷態始動時（イグニッションオン）から第１所定時間ｔ１以内であって、且つ冷却水温が所定の温度範囲内である場合には、アイドルスイッチ２２がオン（無負荷運転状態）であって、且つ燃圧センサ２４で得られる燃料の圧力が所定圧力以上であって、且つ車速センサで得られる車速が所定車速（例えば２km／h）以下（すなわち車両停止）であると、触媒昇温制御が可能な第２の所定の運転条件（特許請求の範囲に記載の所定の運転条件に相当）が成立し、触媒昇温制御手段２０では触媒に対して昇温制御の実行を指示するようになっている。

また、この場合には、燃料噴射モード切り換え手段１２は、第１の所定の運転条件が成立していなくても圧縮行程噴射モードを選択するとともに、この圧縮行程噴射モードのなかからウォールガイド噴射モードを選択するようになっている。
すなわち、上述のように、冷態始動時から所定時間ｔ１以内、且つ冷却水温が所定の温度範囲内であって、且つアイドル運転の時には、比較的空燃比のリーンなウォールガイド噴射モードに設定することで排ガス中の酸素濃度が高まり、追加燃料噴射（２段燃焼）等の昇温制御を実行したときに追加燃料が安定して燃焼して、触媒を速やかに昇温することができるようになる。

なお、ここでウォールガイド噴射モードを選択するのは、以下の理由による。すなわち、冷態始動時には上述したように潤滑油やＡＴＦの油温が低く粘性抵抗が大きいため、スプレーガイド噴射モードでは出力トルクが不足して回転低下を生じる可能性があるからであり、また、吸気行程噴射では排ガス中の酸素濃度が低下して、触媒の昇温のために追加燃料を供給しても追加燃料が安定して燃焼しないおそれがあるからである。

そこで、本実施形態のように、冷態始動時に触媒の昇温制御を実行する際にウォールガイド噴射モードを選択することにより、触媒を速やかに昇温しながらエンジンを安定して運転することができる。
なお、冷態始動時であっても、水温Ｔｗが所定の範囲以下（Ｔｗ≦１０℃）であったり、所定の範囲以上（Ｔｗ≧５０℃）である場合には、このようなウォールガイド噴射モードの選択及び触媒昇温制御は実行されない。これは水温Ｔｗが所定の温度範囲以下であれば、潤滑油やＡＴＦの粘性抵抗が大きすぎて、ウォールガイド噴射モードで燃料噴射を実行してもエンジン回転数が低下するおそれがあるからである。また、所定の温度範囲以上であれば、冷態始動とはいえ、通常の運転で速やかに水温が上昇してすぐに触媒が昇温されると考えられるからである。

なお、本実施形態では、このような第２の運転状態の成立条件として、燃料の圧力が所定圧力以上という条件と車両停止という条件を含んでいるが、これらの２つの条件についてはいずれか一方又は両方とも設けなくてもよい。また、上述の所定圧力とは圧縮行程噴射可能な最低限の圧力である。
そして、触媒昇温制御手段２１でカウントされるタイマが第２の所定時間ｔ２に達すると、ウォールガイド噴射モード＋触媒昇温制御が終了し（或いは中止され）、本来のエンジンの運転状態に応じた燃料噴射モードが設定される。

また、この第２の所定時間ｔ２は例えば図６に示すマップにしたがって水温に応じて設定される。つまり、基本的には冷却水温度が低くなるほど所定時間ｔ２は長くなるように設定され、温度が高くなるほど所定時間ｔ２が短く設定される。また、この所定時間ｔ２は、触媒が活性化するのに最低限必要な触媒活性化制御の実行時間として記憶されている。なお、このマップは触媒昇温制御手段２０内に格納されている。

本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置は、上述のように構成されているのでその作用を図５に示すフローチャートに沿って説明すると以下のようになる。なお、このフローチャートは所定周期（例えば１００msec）毎に繰り返し実行される。
まず、イグニッション２１の検出情報と水温センサ２３からの情報に基づいて冷態始動直後であるか否かを判定する（ステップＳ１）。なお、具体的にはイグニッションオンからの経過時間が予め設定された時間（第１の所定時間ｔ１）以内であって、且つ水温Ｔｗが所定温度（８０℃）未満であると冷態始動直後と判定する。

冷態始動直後であれば、次にアイドルスイッチ（ID SW）２２がオンであるか否かを判定し（ステップＳ２）、アイドルスイッチオン、すなわち、無負荷運転状態であれば、冷却水温度Ｔｗが所定の温度範囲内（１０℃〜５０℃）にあるか否かを判定する（ステップＳ３）。
冷却水温度Ｔｗが所定の温度範囲内であれば、車速センサ２４から情報に基づき車両が停止しているか否かを判定するとともに（ステップＳ４）、燃圧センサ２５からの情報に基づいて燃料圧力が所定圧力以上かを判定する（ステップＳ５）。

次に、本制御を開始してからの経過時間が、図６に示すマップから得られる昇温制御実行時間（第２の所定時間ｔ２）以内か否かを判定する（ステップＳ６）。
そして、上述の各ステップＳ１〜Ｓ６が全てＹｅｓである場合には、第１の所定運転条件が成立しているか否かに関わらず、燃料噴射モードを圧縮行程噴射のウォールガイド噴射モードに設定する（ステップＳ７）。

さらに、エンジンの膨張行程後期に燃料を噴射して、この燃料を排気通路中で燃焼させるいわゆる２段燃焼（触媒昇温制御）を実施する（ステップＳ８）。そして、このようなウォールガイド噴射モードで２段燃焼を実行することにより、排ガス中に供給された追加燃料が安定して燃焼し、触媒の昇温を図ることができる。
また、このような２段燃焼はステップＳ１〜Ｓ６のいずれかがＮｏとなるまで実行される。そして、ステップＳ１〜Ｓ６のいずれかにおいてＮｏとなると、触媒の昇温制御を終了するとともに、ステップＳ９に進み、通常運転が実行される。

ここで、通常運転とは、エンジンの運転状態に応じた燃料噴射モードでの運転をいう。つまり、この場合には、エンジン運転状態が第１の所定の運転条件を満たしていれば、燃料噴射モードとして圧縮行程噴射モードが設定されるとともに、エンジン回転数及び負荷に応じて、スプレーガイド噴射モードとウォールガイド噴射モードとが切り換えられる。また、エンジン運転状態が第１の所定の運転条件を満たしていなければ、吸気行程噴射モードが設定されるとともに、エンジン回転数及び負荷に応じて、ストイキオモード、リーンモード及びエンリッチモードが切り換えられる。

なお、上述したステップＳ２〜Ｓ６の判定の順番については特に意味はなく、これらのステップについては、どのような順序で実行してもよい
以上詳述したように、本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、燃費性能の向上を図りながらも冷態始動時における排気浄化触媒の早期の昇温を図ることができる。

つまり、圧縮行程噴射モードはもともと吸気行程噴射モードに比べると空燃比は大幅にリーンであるので排気中の酸素濃度が高く、したがって触媒昇温制御が必要な場合には、第１の所定の運転条件の成立よりも優先させて圧縮行程噴射モードを実行することにより、触媒昇温用に燃料を多めに供給した際に燃料が安定して酸化反応（燃焼）し、触媒の昇温を図ることができる。

また、圧縮行程噴射モードで燃料噴射を実行することにより、燃費性能の向上を図ることができる。また、圧縮行程噴射モードとして、空燃比がリッチになるほど燃焼安定領域が広がるウォールガイド噴射モード（第２の燃料噴射モード）を選択するので、冷態始動時の負荷増大に対しては空燃比をリッチ化することで安定した燃焼を実現しながらエンジン回転変動を抑制することができる。また、この場合、空燃比をリッチ化したとしても、全体の空燃比は２５〜３０程度であるので、吸気行程噴射に比べれば燃費の消費量も少なく、燃費性能が向上する。

また、２段燃焼（触媒昇温制御）を実行する時間ｔ２を冷却水温に応じて設定しているので、冷態始動時における圧縮行程噴射モードの実行時間を昇温に必要な最低限の時間に設定でき、エンジンの安定した燃焼を確保できる。
また、冷却水が所定温度範囲内にある場合にのみ、ウォールガイド噴射モードと２段燃焼（触媒昇温制御）とを実行するので、以下のような利点がある。つまり、冷却水が所定温度範囲以下（１０℃以下）の場合には、触媒昇温に時間がかかりすぎ、冷態時にこのような長い時間において圧縮行程噴射を実行すると、出力トルクが負荷（主に作動油やＡＴＦの粘性抵抗）に負けて燃焼が不安定となるおそれがある。

そこで、冷却水が所定温度範囲以下の場合には、エンジンの燃焼安定性を考慮してウォールガイド噴射モード及び２段燃焼（触媒昇温制御）を実行せずに、少ない時間で触媒を昇温できる所定温度範囲内にある場合に触媒昇温制御を実行するようにしているのである。
また、所定温度範囲以上（５０℃以上）であれば、あえて触媒の昇温制御を実施しなくても、通常の運転で速やかに活性化温度まで昇温するので、このような温度のときには、追加の燃料供給を実行しないことで、さらなる燃費の向上を図るようにしている。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、触媒昇温制御としては膨張行程に追加燃料噴射を実施する以外にも、排気経路に別途インジェクタを設けて、このインジェクタから直接燃料を添加するようにしてもよい。

本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置の機能構成を示す模式的なブロック図である。 本発明に適用される筒内噴射型内燃機関の要部構成を示す模式図であって、第１の燃料噴射モードについて説明するための図である。 本発明に適用される筒内噴射型内燃機関の要部構成を示す模式図であって、第２の燃料噴射モードについて説明するための図である。 本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置の第１及び第２の燃料噴射モードの特性について説明するための図である。 本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置の作用について説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置の作用について説明するための図である。 従来技術の課題について説明するための図であって、空燃比が変動したときの安定燃焼領域の変化を示す図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ ピストン
３ 燃焼室
４ インジェクタ（燃料噴射弁）
５ 点火プラグ
６ 凹部
７ シリンダ
８ シリンダヘッド
１１ コントローラ（制御手段）
１２ 燃料噴射モード切り換え手段
１３ 吸気行程噴射用インジェクタ制御手段
１４ 圧縮行程噴射用インジェクタ制御手段
１５ エンジン回転数センサ（エンジン回転数検出手段）
２０ 触媒昇温制御手段

Claims (5)

1. 筒内に燃料を直接噴射して点火プラグにより着火する筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
   該内燃機関の圧縮行程時に該燃料を噴射する圧縮行程噴射モードとして、圧縮行程上死点近傍において燃料プラグに向けて燃料を噴射するとともに、該燃料に直接点火する第１の燃料噴射モードと、圧縮行程時に該第１の燃料噴射モードの燃料噴射タイミングよりも早期のタイミングで燃料を噴射するとともに、ピストンの上昇により該燃料を点火プラグ近傍に集めて点火する第２の燃料噴射モードとを切り換える制御手段と、
   該内燃機関の始動時に所定の運転条件が成立すると排気浄化触媒の昇温制御を実行する触媒昇温制御手段とをそなえ、
   該制御手段は、該所定の運転条件が成立したことが判定されると、該燃料噴射モードを該第２の燃料噴射モードに設定し、
   該所定の運転条件が成立するのは、該内燃機関の冷態始動時から所定時間以内であって、且つ該内燃機関の冷却水温が所定の温度範囲内であって、且つ該内燃機関が無負荷運転状態であって、且つ燃料の圧力が所定圧力以上である場合である
   ことを特徴とする、筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 該触媒昇温制御手段は、該排気浄化触媒の昇温制御実行時には、該内燃機関の膨張行程において追加燃料噴射を実行する
   ことを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 該制御手段は、該所定の運転条件が成立したことが判定されると所定時間だけ該燃料噴射モードを該第２の燃料噴射モードに設定するとともに、触媒昇温制御手段は、該所定時間だけ触媒昇温制御を実行する
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 該所定時間が該内燃機関の冷却水温に基づいて設定される
   ことを特徴とする、請求項３記載の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 該第２の燃料噴射モードでは、リーン領域で該第１の燃料噴射モードよりも過濃側の空燃比に設定される
   ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御装置。

Images