JPWO2015063874A1

JPWO2015063874A1 - 火花点火式エンジンの制御装置

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Publication number: JPWO2015063874A1
Application number: JP2015544682A
Authority: JP
Inventors: 賢吾熊野; 助川　義寛; 義寛助川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2033-10-30
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Abstract

エンジン始動直後の触媒暖機運転時において、環境変化や経年変化時においても、燃費悪化を最小限に抑えつつ、排気中の有害物質である粒子状物質（ＰＭ）の抑制と、暖機に必要な排気温度の上昇を両立する。本発明は、上記課題を解決するために、排気中の粒子状物質を検出するための粒子状物質検出手段と、排気の温度を検出するための排気温度検出手段を備えたエンジン制御装置において、前記粒子状物質検出手段によって検出された粒子状物質濃度と前記排気温度検出手段によって検出された排気温度に基づいて、前記エンジンの燃料噴射および点火制御を実施する、ことを特徴とするものであり、燃費の悪化を最小限に抑えながら粒子状物質低減と排気温度上昇の両立が可能となる。

Description

本発明は、エンジンの制御装置に関し、特に排気中の粒子状物質検出センサを用いて燃料および点火を制御する制御装置に関する。

近年、世界各国において自動車用エンジンから排出される粒子状物質の規制が強化されている。また、規制対象が拡大し、ディーゼルエンジンだけでなく、ガソリンエンジン、とくに筒内噴射式ガソリンエンジンも規制の対象となっている。上記の規制をクリアするために、現在のディーゼルエンジンには、フィルタ（DPF : diesel particulate filter）などの排気の後処理装置による粒子状物質の除去や、燃焼制御による燃焼ガス中の粒子状物質生成量の抑制といった対策がなされている。ただし、粒子状物質の排出量は、気温や湿度、燃料性状などの環境変化や、エンジン部品の経年変化（劣化）の影響を受けやすいという性質があり、実走行中の諸々の条件によって排出量が増加してしまうという課題がある。

このような課題を解決する技術として、オンボードでエンジン排気中の粒子状物質の検出を簡易に行える検出装置が提案されている。こうした検出装置を用いることによって、環境変化や劣化時における粒子状物質量（濃度）の増減を監視することが可能となる（特許文献１に記載）。

また、黒煙濃度検出手段により黒煙（粒子状物質）を検出し、その結果に基づいて、燃料噴射量や燃料噴射時期を制御して、排気中の粒子状物質を低減する技術が提案されている（特許文献２に記載）。

特開２０１０−１４６１４号特開２００６−３２９１５８号

筒内噴射式ガソリンエンジンでは、エンジン始動直後に、未燃炭化水素を除去するための三元触媒を暖機する必要があり、点火時期を上死点後に遅角して排気温度を上昇させている（触媒暖機運転）。そして、点火時期を上死点後まで遅角した状況で安定した燃焼を実現するために、エンジンの圧縮行程で燃料を噴射して点火プラグ周りにリッチ（過濃）な混合気を形成させている。粒子状物質は燃焼室内のリッチ領域から生成するため、筒内噴射式ガソリンエンジンではエンジン始動直後の触媒暖機運転時に粒子状物質排出量が多くなる。

従って、触媒の暖機運転時には、触媒暖機に必要な排気温度を保ちつつ、粒子状物質量を抑制する必要があるが、燃料噴射や点火制御は、排気温度と粒子状物質濃度の両者に大きく影響するため、それぞれ独立した制御ができない。例えば、特許文献２に記載の技術は、黒煙（粒子状物質）の検出結果のみに基づいて、燃料噴射制御等を実施するため、黒煙の低減は可能であるが、触媒暖機に必要な排気温度の確保が困難である。

本発明の目的は、触媒暖機運転時の粒子状物質低減と排気温度上昇を両立することができるエンジンの制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の火花点火式エンジンの制御装置は、燃料を噴射する量または時期の少なくとも一つを制御する燃料噴射制御手段と、前記燃料噴射制御手段により噴射された燃料への点火を制御する点火制御手段と、排気中の粒子状物質を検出または推定するための粒子状物質検出手段と、排気の温度を検出または推定するための排気温度検出手段と、を備えた、火花点火式エンジンの制御装置において、前記粒子状物質検出手段によって検出または推定された粒子状物質濃度と前記排気温度検出手段によって検出または推定された排気温度とに基づいて、前記エンジンの燃料噴射制御および点火制御を制御すること、を特徴とする。

本発明によれば、例えば環境変化や経年変化時においても、燃費悪化を最小限に抑えつつ、触媒暖機運転時の粒子状物質低減と排気温度上昇を両立することが可能となる。

本発明の実施形態によるエンジンの制御装置のシステム構成図本発明の実施形態による粒子状物質検出センサの原理図本発明の実施形態による点火時期と排気温度の関係図本発明の実施形態による燃料噴射時期と粒子状物質濃度の関係図本発明の実施形態による燃料噴射時期と点火時期の関係図本発明の実施形態による粒子状物質濃度と排気温度に対する燃料圧力の影響本発明の実施形態による粒子状物質濃度と排気温度に対する点火エネルギの影響本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の構成を示すシステムブロック図本発明の実施形態によるエンジンの制御装置のＥＣＵ内で実施される燃料噴射および点火制御ロジックの概要図本発明の実施形態による燃料噴射および点火制御の概念図本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の燃料噴射および点火制御内容を示すフローチャート本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の燃料噴射および点火制御内容を示すタイムチャート（条件：Ｄ₃）本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の燃料噴射および点火制御内容を示すタイムチャート（条件：Ｄ₄）本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の燃料噴射および点火制御内容を示すタイムチャート（条件：Ｄ₅）

以下、図１〜図１４を用いて、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の構成及び動作について説明する。
図１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を自動車用筒内噴射式ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成を示すシステム構成図である。

エンジン１００は、火花点火式燃焼を実施する自動車用の４気筒ガソリンエンジンである。吸入空気量を計測するエアフローセンサ１と、吸気管圧力を調整する電子制御スロットル２と、吸入空気温度検出器の一態様であって吸入空気の温度を計測する吸気温度センサ１５が、さらに、吸気管内の圧力を計測する吸気圧センサ２１が吸気管６の各々の適宜位置に備えられている。また、エンジン１００には、各気筒の燃焼室１２の中に燃料を噴射する燃料噴射装置（以下、インジェクタ）３と、点火エネルギーを供給する点火システム４が気筒ごとに備えられている。また、エンジンの冷却水の温度を計測する冷却水温度センサ１４がシリンダヘッド７の適宜位置に備えられている。また、筒内に流入する吸入ガスを調整する吸気バルブ可変装置５ａと筒内から排出される排気ガスを調整する排気バルブ可変装置５ｂとから構成される可変バルブ５と、がシリンダヘッド７の各々の適宜位置に備えられている。可変バルブ５を調整することにより、１番から４番まで全気筒の吸気量およびＥＧＲ量を調整する。また、燃料噴射装置３に高圧燃料を供給するための高圧燃料ポンプ１７が燃料配管によって燃料噴射装置３と接続されている。燃料配管中には、燃料噴射圧力を計測するための燃料圧力センサ１８が備えられている。

さらに、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、排気温度検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の温度を計測する排気温度センサ１１と、触媒温度検出器の一態様であって三元触媒１０の温度を計測する触媒温度センサ２２と、粒子状物質検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて粒子状物質濃度を計測する粒子状物質センサ１９と、が排気管８の各々の適宜位置に備えられる。また、クランク軸には、回転角度を算出するためのクランク角度センサ１３が備えられている。

エアフローセンサ１と空燃比センサ９と冷却水温度センサ１４と吸気温度センサ１５と排気温度センサ１１と触媒温度センサ２２と粒子状物質センサ１９とクランク角センサ１３と燃料圧力センサ１８と吸気圧センサ２１と可変動弁（位相角センサ）５から得られる信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０に送られる。また、アクセル開度センサ１６から得られる信号がＥＣＵ２０に送られる。アクセル開度センサ１６は、アクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１６の出力信号に基づいて、要求トルクを演算する。すなわち、アクセル開度センサ１６は、エンジンへの要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサ１３の出力信号に基づいて、エンジンの回転速度を演算する。ＥＣＵ２０は、上記各種センサの出力から得られるエンジンの運転状態に基づき、空気流量、燃料噴射量、点火時期、燃料圧力等のエンジンの主要な作動量を最適に演算する。

ＥＣＵ２０で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、インジェクタ３に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された点火時期で点火されるように、点火信号が点火システム４に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された可変バルブの作動量は、可変バルブ駆動信号として、可変バルブ５へ送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された燃料圧力は、高圧燃料ポンプ駆動信号として、高圧燃料ポンプ１７へ送られる。

吸気管６から吸気バルブを経て燃焼室１２内に流入した空気に対し、燃料が噴射され、混合気を形成する。混合気は所定の点火時期で点火システム４から発生される火花により爆発し、その燃焼圧によりピストンを押し下げてエンジンの駆動力となる。更に、爆発後の排気ガスは排気管８を経て、三元触媒１０に送りこまれ、排気成分は三元触媒１０内で浄化され、外部へと排出される。

図２は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の粒子状物質センサ１９の原理を示した図である。

粒子状物質センサ１９は粒子状物質を含む排気が通過する排気管８に設置される。電源によって集塵用電極Ａ１９ａと集塵用電極Ｂ１９ｂの間に電圧を印加し集塵用電極Ｂ１９ｂに放電させて排気に含まれる粒子状物質を荷電させ、集塵用電極Ａ１９ａを被覆する誘電体１９ｃの表面に集塵させる。誘電体１９ｃ上に粒子状物質が堆積され、その粒子状物質が堆積された誘電体１９ｃを挟んで設けられている集塵用電極Ａ１９ａと測定用電極１９ｄとの間の電気的特性（例えば、静電容量）が、堆積した粒子状物質の量によって変化する。この電気的特性の変化量により誘電体１９ｃの表面に集塵された粒子状物質の量を求めることが可能である。また、その時の排気流量を用いて粒子状物質濃度を求めることも可能である。

図３から図７を用いて、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置における，粒子状物質濃度および排気温度の制御原理を説明する。

図３は，本発明実施形態によるエンジンの制御装置における，点火時期θｓｐｋと排気温度Ｔｅｘの関係を示した図である。一般的な火花点火エンジンと同様に、点火時期が遅くなるに伴い燃焼時期が遅くなるため熱効率が低下し、その分燃焼による発生したエネルギが排熱となって排気温度が上昇する。通常のエンジン運転時は基本的に最も熱効率が高くなる（燃料消費が抑えられる）点火時期に設定されるが、エンジン始動直後には、三元触媒１０が冷えている状態（排気中の未燃炭化水素やＮＯｘを浄化効率が極めて低い状態）であることから、直ちに触媒温度を上昇させるべく、点火時期を遅く（例えば圧縮上死点後に）して、排気温度を高める制御、すなわち触媒暖機制御が実施される。

図４は，本発明実施形態によるエンジンの制御装置における，燃料噴射時期ＩＴと排気中の粒子状物質濃度ＰＭの関係を示した図である。一般的な筒内噴射式エンジン同様に、燃料噴射時期ＩＴが遅くなるにつれて、排気中の粒子状物質ＰＭは増加する傾向にある。特に，燃料噴射時期ＩＴが圧縮行程中であるとこの傾向は顕著である。これは、燃料噴射時期ＩＴが遅くなるほど、燃焼室内のおける燃料と空気の混合が不十分となり、燃料過濃部分を残した混合気が燃焼することになるためである。排気中の粒子状物質濃度ＰＭは、燃焼室内の燃料過濃領域での燃焼時に生成される粒子状物質量に依存することがわかっている。

図５は、本発明実施形態によるエンジンの制御装置における，点火時期θｓｐｋと燃料噴射時期ＩＴとの関係を示した図である。
前述のように、触媒暖気制御中は排気温度を上昇させるために、点火時期は可能な限り遅角側（圧縮上死点後）に設定される。ただし、点火時期を遅角すればするほど、点火時の燃焼室内の温度が低下してしまい燃焼が起こしにくくなる。その結果、燃焼が不安定な状態となる。点火時期を遅角した状態で燃焼を安定させるためには、点火時に点火プラグ周りに着火しやすい混合気状態（燃料過濃状態）を形成させる必要がある。燃料過濃な混合気を形成するためには、点火の直前に燃料を噴射し、混合が十分に進まない状態で点火する必要がある。以上より、図５に示したように、点火時期θｓｐｋを極端に遅角する触媒暖気制御時には、それに伴い燃料噴射時期ＩＴも近角側に設定する必要がある。言い換えると、点火時期θｓｐｋと燃料噴射時期ＩＴによって安定燃焼可能か否かが決定される。

図６は、本発明の実施形態による粒子状物質濃度ＰＭと排気温度Ｔｅｘに対する燃料圧力の影響を示した図である。図３から図５で説明したとおり、触媒暖機運転時には点火時期を極端に遅らせるため、安定した燃焼を実施するには点火時期と燃料噴射時期は連動して制御する必要がある。排気温度Ｔｅｘを上昇させるには点火時期θｓｐｋを遅角し、それに伴い、燃料噴射時期ＩＴも遅角しなければならず、その分、粒子状物質濃度ＰＭが増大してしまう。逆に、粒子状物質濃度ＰＭを抑制しようとすると、燃料噴射時期ＩＴを進角し、それに伴い、点火時期θｓｐｋも進角しなければならず、その分、排気温度Ｔｅｘが低下してしまう。したがって、点火時期θｓｐｋと燃料噴射時期ＩＴの制御では、粒子状物質ＰＭと排気温度Ｔｅｘは、図６のＡに示したようにトレードオフの関係となる。排気温度Ｔｅｘを低下させずに粒子状物質濃度ＰＭを低下させるためには、点火時期θｓｐｋを維持しながら、点火プラグ周りに着火しやすい混合気状態を作りつつ燃料過濃な領域を最小化する必要がある。燃料圧力を上昇させることで、燃料の微粒化および蒸発特性が大きく改善され、同一の燃料噴射時期ＩＴにおいても燃料過濃な領域を抑制し、粒子状物質の生成を低減することができる。つまり、燃料圧力を上昇させることで、図６のＢに示したように排気温度Ｔｅｘを低下させずに粒子状物質濃度ＰＭを低下させることが可能である。なお、燃料圧力の上昇の他に、１燃焼サイクル中の燃料分割多段噴射回数の増加により燃料過濃な領域を抑制するよう噴霧形態を変化して、粒子状物質濃度ＰＭを抑制してもよい。また、ヒータ等で燃料の温度を上げる、エタノール等の混合燃料を使用するエンジンの場合には、エタノール等の比率を上げる、といった制御でも同様に粒子状物質濃度ＰＭを低下させることが可能である。

図７は、本発明の実施形態による粒子状物質濃度ＰＭと排気温度Ｔｅｘに対する点火エネルギの影響を示した図である。図中Ａは、図６で示したものと同一である。粒子状物質濃度ＰＭを増加させずに排気温度Ｔｅｘを上昇させるためには、燃焼噴射時期ＩＴを維持しながら点火時期θｓｐｋを遅角する必要がある。したがって着火しにくい混合気状態であっても確実に着火燃焼させる施策が必要である。点火時の放電エネルギを上昇させることで、低温もしくは希薄な混合気状態においても着火が可能となる。つまり、点火エネルギを増加させることで、図６のＣに示したように粒子状物質濃度ＰＭを増加させずに、排気温度Ｔｅｘを上昇させることが可能である。ここで、放電エネルギを上昇させる手段は、放電時間の長期化、放電回数の増加、点火プラグを一気筒に複数有するエンジンでの複数点火プラグの重ね放電などである。

図８から図１４を用いて、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置における，粒子状物質濃度および排気温度の制御方法を説明する。

図８は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の構成を示すシステムブロック図である。エアフローセンサ１、空燃比センサ９、排気温度センサ１１、クランク角センサ１３、冷却水温度センサ１４、吸気温度センサ１５、アクセル開度センサ１６、燃料圧力センサ１８、粒子状物質センサ１９、吸気圧センサ２１、触媒温度センサ２２の出力信号は、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａに入力する。但し、入力信号はこれらだけに限られない。入力された各センサの入力信号は入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送られる。入力ポート２０ｂに送られた値は、ＲＡＭ２０ｃに保管され、ＣＰＵ２０ｅで演算処理される。演算処理内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ２０ｄに予め書き込まれている。

制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、入出力ポート２０ｂ内の出力ポートに送られ、各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。本実施形態の場合は、駆動回路として、電子スロットル駆動回路２０ｆ、インジェクタ駆動回路２０ｇ、点火出力回路２０ｈ、可変バルブ駆動回路２０ｊ、高圧燃料ポンプ駆動回路２０ｋがある。各回路は、それぞれ、電子制御スロットル２、インジェクタ３、点火システム４、可変バルブ５、高圧燃料ポンプ１７を制御する。本実施形態においては、ＥＣＵ２０内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをＥＣＵ２０内に備えるものであってもよい。

媒暖機運転時において、ＥＣＵ２０は、入力信号に基づいて、排気温度および粒子状物質を所望の範囲内に制御するべく、点火システム（点火時期、点火エネルギ）、インジェクタ（燃料噴射時期）、高圧燃料ポンプ（燃料圧力）を制御する。

図９は，本発明の実施形態によるエンジンの制御装置のＥＣＵ２０内で実施される触媒暖機運転時の燃料噴射および点火制御ロジックの概要を示す図である。運転条件判定部、燃料・点火基本制御部、燃料・点火補正制御部から構成される。クランク角センサ信号１３、アクセル開度センサ信号１６、触媒温度センサ信号２２は運転条件判定部に入力される。ここで、エンジン回転数および要求エンジントルクが演算され、現在の運転状態が触媒暖機制御条件であるか否かを判定する。

燃料・点火基本制御部は、運転条件判定部から出力される触媒暖機制御フラグが１である場合に、予め設定された燃料噴射時期、燃料圧力、点火時期、放電時間をインジェクタ，高圧燃料ポンプ、点火システムに出力する。

燃料・点火補正制御部は、運転条件判定部から出力される触媒暖機制御フラグが１である場合に、現在の排気温度センサ信号１１および粒子状物質センサ信号１９に基づいて、燃料噴射時期、燃料圧力、点火時期、放電時間の補正量を出力する。

図１０は、本発明の実施形態による燃料噴射および点火制御の切り替え制御の概念を示す図である。

ＥＣＵ２０は、検出した排気温度Ｔｅｘと粒子状物質濃度ＰＭとに基づいて、燃料噴射および点火制御を複数の制御方法を切り替えて実施する。触媒暖機運転中において、排気温度Ｔｅｘは閾値ＳＬ＿Ｔｅｘよりも高く、粒子状物質濃度ＰＭは閾値ＳＬ＿ＰＭよりも低い状態に制御する必要がある。その状態（正常状態）が図中Ｓ点である。

排気温度Ｔｅｘが閾値ＳＬ＿Ｔｅｘよりも低い、かつ粒子状物質濃度ＰＭが閾値ＳＬ＿ＰＭよりも低い条件（Ｄ₂点，Ｄ₄点）では、噴射時期および点火時期の遅角制御が実行され、排気温度を上昇させる。ただし、Ｄ₄点から噴射時期および点火時期の遅角制御を実行した場合、粒子状物質濃度ＰＭが閾値ＳＬ＿ＰＭと同等になる状態（Ｄ₄’点）に到達する。その状態では、これ以上粒子状物質濃度ＰＭを増加させることができないため、そこからは、噴射時期の遅角をせずに、点火エネルギ増加（放電時間の長期化など）により燃焼安定性を確保しながら、点火時期を遅角して排気温度を上昇させて正常状態（Ｓ点）へもっていく。すなわち、排気温度を上昇するための制御を粒子状物質濃度ＰＭに基づいて切り替える。

排気温度Ｔｅｘが閾値ＳＬ＿Ｔｅｘよりも高い、かつ粒子状物質濃度ＰＭが閾値ＳＬ＿ＰＭよりも高い条件（Ｄ₁点，Ｄ₃点）では、噴射時期および点火時期の進角制御が実行され、粒子状物質濃度ＰＭを低減させる。ただし、Ｄ₃点から噴射時期および点火時期の進角制御を実行した場合、排気温度Ｔｅｘが閾値ＳＬ＿Ｔｅｘと同等になる状態（Ｄ₃’点）に到達する。その状態では、これ以上排気温度Ｔｅｘを低下させることができないため、そこからは、噴射時期および点火時期の進角をせずに、燃料圧力の上昇により粒子状物質濃度ＰＭを抑制して正常状態（Ｓ点）へもっていく。すなわち、粒子状物質濃度ＰＭを抑制するための制御を排気温度Ｔｅｘに基づいて切り替える。ここで、粒子状物質濃度ＰＭを抑制する制御としては、図６の説明で述べたように他の制御を用いてもよい。

排気温度Ｔｅｘが閾値ＳＬ＿Ｔｅｘよりも低い、かつ粒子状物質濃度ＰＭが閾値ＳＬ＿ＰＭよりも高い条件（Ｄ₅点）では、排気温度Ｔｅｘの上昇と粒子状物質濃度ＰＭの低減が必要であるため、そこからは、点火時期進角と点火エネルギ増加（長放電化など）、燃料圧力上昇を併用して正常状態（Ｓ点）へもっていく。

図１１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の燃料噴射および点火制御内容を示すフローチャートである。図１１に示す制御内容は、ＥＣＵ２０によって、所定の周期で繰り返し実行される。

ステップＳ１１０１において、ＥＣＵ２０は、触媒温度２２、要求トルク（アクセル開度センサ１６）、エンジン回転数（クランク角度センサ１３）を読み込む。

次に、ステップＳ１１０２において、触媒温度、要求トルク、エンジン回転数に基づいて、現在の運転条件が触媒暖機運転条件であるか否かを判定する。

ステップＳ１１０２において、触媒暖機運転条件でないと判定された場合には、触媒暖機運転用制御を実施せずに、一連の制御を終了する。

ステップＳ１１０２において、触媒暖機運転条件でないと判定された場合には、ステップＳ１１０３に進み、触媒暖機運転用制御が実施される。具体的には、予めＲＯＭ２０ｄに記録された、点火時期、噴射時期、燃料圧力、点火放電時間の設定値情報が、各装置に出力される。

次に、ステップＳ１１０４に進み、排気温度Ｔｅｘおよび粒子状物質濃度ＰＭを読み込んで、ステップＳ１１０５に進む。

ステップＳ１１０５において、正常な排気温度および粒子状物質濃度範囲内（Ｔｅｘ≧ＳＬ＿Ｔｅｘ、かつ、ＰＭ≦ＳＬ＿ＰＭ）であるか否かを判定する。

ステップＳ１１０５において、正常な範囲内であると判定された場合は、ステップＳ１１０６に進み、ＲＯＭ２０ｄに現在の点火時期、噴射時期、燃料圧力、点火放電時間の設定値を記憶させ、一連の制御を終了する。

ステップＳ１１０５において、正常な範囲内でないと判定された場合は、ステップＳ１１０７に進む。

ステップＳ１１０７において、排気温度Ｔｅｘのみが異常範囲（Ｔｅｘ＜ＳＬ＿Ｔｅｘ、かつ、ＰＭ≦ＳＬ＿ＰＭ）であるか否かを判定する。排気温度Ｔｅｘのみが異常範囲であると判定された場合は、ステップＳ１１０８に進む。ステップＳ１１０８において、粒子状物質濃度ＰＭが閾値ＳＬ＿ＰＭと同等（ＰＭ＝ＳＬ＿ＰＭ）であるか否かを判定する。粒子状物質濃度ＰＭが閾値ＳＬ＿ＰＭと同等であると判定された場合は、これ以上粒子状物質濃度ＰＭを増加させられないため、点火遅角（ステップＳ１１０９）および長放電化（ステップＳ１１１０）によって排気温度Ｔｅｘを上昇させ、ステップ１１０４に戻る。粒子状物質濃度ＰＭが閾値ＳＬ＿ＰＭよりも低いと判定された場合は、まだ粒子状物質濃度ＰＭを増加させる余裕があるため、点火遅角（ステップＳ１１１１）および噴射時期遅角（ステップＳ１１１２）によって排気温度Ｔｅｘを上昇させた後、ステップＳ１１０４に戻る。

ステップＳ１１０７で、排気温度Ｔｅｘのみが異常範囲（Ｔｅｘ＜ＳＬ＿Ｔｅｘ、かつ、ＰＭ≦ＳＬ＿ＰＭ）でない、と判定された場合は、ステップＳ１１１３に進む。

ステップＳ１１１３において、粒子状物質濃度ＰＭのみが異常範囲（Ｔｅｘ≧ＳＬ＿Ｔｅｘ、かつ、ＰＭ＞ＳＬ＿ＰＭ）であるか否かを判定する。粒子状物質濃度ＰＭのみが異常範囲であると判定された場合は、ステップＳ１１１４に進む。ステップＳ１１１４において、排気温度Ｔｅｘが閾値ＳＬ＿Ｔｅｘと同等（Ｔｅｘ＝ＳＬ＿Ｔｅｘ）であるか否かを判定する。排気温度Ｔｅｘが閾値ＳＬ＿Ｔｅｘと同等であると判定された場合は、これ以上排気温度Ｔｅｘを低下させられないため、燃料圧力上昇（ステップＳ１１１５）によって粒子状物質濃度ＰＭを低下させ、ステップ１１０４に戻る。排気温度Ｔｅｘが閾値ＳＬ＿Ｔｅｘよりも高いと判定された場合は、まだ排気温度をを低下させる余裕があるため、点火進角（ステップＳ１１１６）および噴射時期進角（ステップＳ１１１７）によって粒子状物質濃度ＰＭを低減させた後、ステップＳ１１０４に戻る。

ステップＳ１１１３において、粒子状物質濃度ＰＭのみが異常範囲でない、つまり、粒子状物質ＰＭおよび排気温度Ｔｅｘ両者ともに異常範囲であると判定された場合は、両者ともこれ以上悪化させることができないため、燃料圧力の上昇（ステップＳ１１１８）および点火遅角（ステップＳ１１１９）、長方電化（ステップＳ１１２０）を併用することにより、排気温度Ｔｅｘを上昇、粒子状物質濃度ＰＭを低減させた後、ステップＳ１１０４に戻る。

このように、ステップＳ１１０４によって検出される排気温度Ｔｅｘおよび粒子状物質濃度ＰＭが正常範囲内におさまるまで、本制御は繰り返し実行される。図１２は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置による、燃料噴射および点火制御内容を示すタイムチャート（始点：条件Ｄ₃）を示している。

図中上から、粒子状物質濃度ＰＭ、排気温度Ｔｅｘ、点火時期θｓｐｋ、噴射時期ＩＴ、燃焼圧力Ｐｆ、放電時間τｓｐｋの時間変化を示している。ここでは触媒暖機運転時における、図１０中の点Ｄ₃を始点とした制御を想定している。

時刻Ｉでは、粒子状物質濃度ＰＭが閾値ＳＬ＿ＰＭよりも高い状態（異常状態）であり、排気温度Ｔｅｘは閾値ＳＬ＿Ｔｅｘよりも高い状態（正常状態）である。ここでは、排気温度Ｔｅｘにまだ余裕があるため、まず点火時期θｓｐｋおよび噴射時期ＩＴを進角することによって、粒子状物質濃度ＰＭを低減する。

時刻IIの時点で、排気温度Ｔｅｘが閾値ＳＬ＿Ｔｅｘに達してしまうため（図１０中のＤ₃’点）、ここからは点火時期θｓｐｋを進角せずに、燃料圧力を上昇させて粒子状物質濃度ＰＭを低減していき、時刻IIIの時点で正常状態（図１０中のＳ点）に到達させる。

上記制御により、燃料圧力上昇にともなう燃費の悪化を最小限に抑えながら、触媒暖機運転時の粒子状物質濃度ＰＭの低減と、排気温度Ｔｅｘの上昇を両立させることが可能となる。

図１３は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置による、燃料噴射および点火制御内容を示すタイムチャート（始点：条件Ｄ₄）を示している。

図中上から、粒子状物質濃度ＰＭ、排気温度Ｔｅｘ、点火時期θｓｐｋ、噴射時期ＩＴ、燃焼圧力Ｐｆ、放電時間τｓｐｋの時間変化を示している。ここでは触媒暖機運転時における、図１０中の点Ｄ₄を始点とした制御を想定している。

時刻Ｉでは、粒子状物質濃度ＰＭが閾値ＳＬ＿ＰＭよりも低い状態（正常状態）であり、排気温度Ｔｅｘは閾値ＳＬ＿Ｔｅｘよりも低い状態（異常状態）である。ここでは、粒子状物質濃度ＰＭにまだ余裕があるため、まず点火時期θｓｐｋおよび噴射時期ＩＴを遅角することによって、排気温度Ｔｅｘを上昇させる。

時刻IIの時点で、粒子状物質濃度ＰＭが閾値ＳＬ＿ＰＭに達してしまうため（図１０中のＤ₄’点）、ここからは噴射時期ＩＴを遅角せずに、放電時間を長期化させて点火エネルギを増大させつつ点火時期を進角し、排気温度Ｔｅｘを上昇させていき、時刻IIIの時点で正常状態（図１０中のＳ点）に到達させる。

上記制御により、点火エネルギ増大（長放電化）にともなう燃費の悪化を最小限に抑えながら、触媒暖機運転時の粒子状物質濃度ＰＭの低減と、排気温度Ｔｅｘの上昇を両立させることが可能となる。

図１４は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置による、燃料噴射および点火制御内容を示すタイムチャート（始点：条件Ｄ₅）を示している。

時刻Ｉでは、粒子状物質濃度ＰＭが閾値ＳＬ＿ＰＭよりも高い状態（異常状態）であり、排気温度Ｔｅｘが閾値ＳＬ＿Ｔｅｘよりも低い状態（異常状態）である。ここでは、粒子状物質濃度ＰＭおよび排気温度Ｔｅｘともに悪化させる余裕がないため、燃料圧力の上昇による粒子状物質濃度ＰＭの低減と、点火時期θｓｐｋおよび長放電化による排気温度Ｔｅｘの上昇を併用して実施し、時刻IIの時点で、正常状態（図１０中のＳ点）に到達させる。

上記制御により、部品劣化や環境変化が著しい状態においても、触媒暖機運転時の粒子状物質濃度ＰＭの低減と、排気温度Ｔｅｘの上昇を両立させることが可能となる。

なお、図１１以降のチャートでは粒子状物質濃度ＰＭを抑制する方法および点火エネルギ増加の方法として一例について説明しているが、他の方法を用いてもよい。本実施例に記載した検知および制御方法によって、エンジン始動直後の触媒暖機運転時において、環境変化や経年変化時においても、燃費悪化を最小限に抑えつつ、排気中の有害物質である粒子状物質の抑制と、暖機に必要な排気温度の上昇を両立することが可能となる。

すなわち本発明の制御装置は、排気中の粒子状物質を検出するための粒子状物質検出手段と、排気の温度を検出するための排気温度検出手段を備えたエンジン制御装置において、前記粒子状物質検出手段によって検出された粒子状物質濃度と前記排気温度検出手段によって検出された排気温度に基づいて、前記エンジンの燃料噴射および点火制御を実施する。

かかる構成により、排気温度と粒子状物質濃度の双方の値に基づいて、適切な燃料噴射および点火制御を実施することが可能となる。

また、本発明の制御装置の他の態様としては、前記粒子状物質濃度が所定値Ａよりも高い場合において，前記排気温度が所定値Ｂ以上の場合には燃料噴射時期を進角すること、により前記粒子状物質濃度を低減する。

かかる構成により、排気温度が基準値よりも高い状況では、燃料噴射および点火時期を進角することにより、排気温度を低下させつつ粒子状物質を低減するため、燃費を悪化させることなく、排気温度と粒子状物質濃度の両立が可能となる。

更にまた、本発明の制御装置の他の態様としては、前記粒子状物質濃度が所定値Ａよりも高い場合において，前記排気温度が所定値Ｂ未満の場合には燃料噴射圧力を上昇すること、により前記粒子状物質濃度を低減する。

かかる構成により、排気温度が基準値よりも低い状況では、点火時期を変えずに燃料噴射圧力を上昇させることにより、排気温度を保ちながら粒子状物質を低減し、排気温度と粒子状物質濃度の両立が可能となる。

更にまた、本発明の制御装置の他の態様としては、前記排気温度が所定値Ｂ未満である場合において、前記粒子状物質濃度が所定値Ａ未満の場合には点火時期および燃料噴射時期を遅角すること、により前記排気温度を上昇させる。

かかる構成により、粒子状物質濃度が基準値よりも低い状況では、燃料噴射および点火時期を遅角することにより、粒子状物質を増加させつつ排気温度を上昇させるため、燃費を悪化させることなく、排気温度と粒子状物質濃度の両立が可能となる。

更にまた、本発明の制御装置の他の態様としては、前記排気温度が所定値Ｂ未満である場合において、前記粒子状物質濃度が所定値Ａ以上の場合には点火時期を遅角するとともに点火エネルギを増加すること、により前記排気温度を上昇させる。

かかる構成により、粒子状物質濃度が基準値よりも高い状況では、燃料噴射時期を変化させずに点火エネルギーを増加させて点火時期を遅角することにより、粒子状物質濃度を保ちながら排気温度を上昇させ、排気温度と粒子状物質濃度の両立が可能となる。

１…エアフローセンサ
２…電子制御スロットル
３…筒内直接噴射用インジェクタ
４…点火システム
５…可変バルブ
５ａ…吸気バルブ可変装置
５ｂ…排気バルブ可変装置
６…吸気管
７…シリンダヘッド
８…排気管
９…空燃比センサ
１０…三元触媒
１１…排気温度センサ
１２…燃焼室
１３…クランク角度センサ
１４…冷却水温度センサ
１５…吸気温度センサ
１６…アクセル開度センサ
１７…高圧燃料ポンプ
１８…燃料圧力センサ
１９…粒子状物質センサ
１９ａ…集塵用電極Ａ
１９ｂ…集塵用電極Ｂ
１９ｃ…誘電体
１９ｄ…測定用電極
２０…ＥＣＵ
１００…エンジン
２０ａ…入力回路
２０ｂ…入出力ポート
２０ｃ…ＲＡＭ
２０ｄ…ＲＯＭ
２０ｅ…ＣＰＵ
２０ｆ…電子制御スロットル駆動回路
２０ｇ…インジェクタ駆動回路
２０ｈ…点火出力回路
２０ｊ…可変バルブ駆動回路
２０ｋ…高圧燃料ポンプ駆動回路
２１…吸気圧センサ
２２…触媒温度センサ

Claims

燃料を噴射する量または時期の少なくとも一つを制御する燃料噴射制御手段と、
前記燃料噴射制御手段により噴射された燃料への点火を制御する点火制御手段と、
排気中の粒子状物質を検出または推定するための粒子状物質検出手段と、
排気の温度を検出または推定するための排気温度検出手段と、
を備えた、火花点火式エンジンの制御装置において、
前記粒子状物質検出手段によって検出または推定された粒子状物質濃度と前記排気温度検出手段によって検出または推定された排気温度とに基づいて、前記エンジンの燃料噴射制御および点火制御を制御すること、を特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
前記火花点火式エンジンは、燃料を気筒内に直接噴射する筒内噴射式エンジンであり、
前記燃料噴射制御手段による制御は、燃料を噴射する際の燃料噴射圧力の制御、噴霧形態の制御、燃料温度の制御、混合燃料の混合比率の制御の少なくとも一つをさらに含み、
前記点火制御手段による制御は、少なくとも点火時期制御および点火エネルギ制御を含み、
前記燃料噴射制御手段は、前記排気温度に基づいて複数の制御の切り替えを行い、
前記点火制御手段は、前記粒子状物質濃度に基づいて複数の制御の切り替えを行うことを特徴とする請求項１に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
前記粒子状物質濃度が所定値Ａよりも高い場合において，前記排気温度が所定値Ｂ以上の場合には燃料噴射時期を進角することを特徴とする請求項２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
前記粒子状物質濃度が所定値Ａよりも高い場合において，前記排気温度が所定値Ｂ未満の場合には燃料噴射圧力を上昇することを特徴とする請求項２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
前記排気温度が所定値Ｂ未満である場合において、前記粒子状物質濃度が所定値Ａ未満の場合には点火時期および燃料噴射時期を遅角することを特徴とする請求項２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
前記排気温度が所定値Ｂ未満である場合において、前記粒子状物質濃度が所定値Ａ以上の場合には点火時期を遅角するとともに点火エネルギを増加することを特徴とする請求項２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
前記粒子状物質濃度および前記排気温度に基づく前記エンジンの燃料噴射および点火制御は、前記エンジンの始動直後の触媒暖機運転時に実施されること、を特徴とする請求項２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
前記粒子状物質検出手段により検出された粒子状物質濃度および前記排気温度検出手段により検出された排気温度は、前記エンジンの現在の運転条件における排気の状態を表すものであること、を特徴とする請求項２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
前記点火エネルギを増加させるための手段として、火花放電時間の長期化、火花点火回数の増加、複数の点火手段の重ね放電、のうちを少なくとも１つを実施すること、を特徴とする請求項２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
前記粒子状物質濃度および前記排気温度に基づく前記エンジンの燃料噴射制御および点火制御の制御値を記憶しておき、次回の触媒暖気運転時に前記制御値に基づいて燃料噴射および点火制御を実施すること、を特徴とする請求項７に記載の火花点火式エンジンの制御装置。