JPWO2016194184A1 - 内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関制御装置は、筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、筒内の混合気に点火を行なう点火プラグと、を備え、特定の運転条件時には、膨張行程にて燃料を噴射し、膨張行程にて噴射した後に点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関を制御する。この内燃機関制御装置は、点火時期が遅いほど、膨張行程での燃料噴射時期と点火時期との間隔を短くする。

Description

本発明は、筒内に燃料を直接的に噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関（以下、単に「エンジン」ともいう）の制御に関する。

筒内直噴式エンジンについて、冷機始動からの暖機過程において排気浄化触媒の早期活性化を図るために、膨張行程に燃料を噴射することによって排気温度を上昇させる技術が知られている。

ところで、排気浄化触媒の早期活性化を図る必要がある状況では、排気浄化触媒は十分な浄化機能を発揮できないので、エンジンからのＨＣやＮＯｘ等の排出量を低減する必要もある。特に、冷機始動からの暖機過程においては、シリンダ壁面やピストン冠面（以下、壁面等ともいう）に衝突した燃料がそのまま壁面等に付着して液状化し易いので、未燃ＨＣの排出量が増加しがちである。

そこで、排気浄化触媒の早期活性化とＨＣ等の排出成分の低減を両立するために、膨張行程に燃料を噴射し、燃料噴霧の先端が壁面等に到達する前に火花点火を行う技術がＪＰ２００６−５２６８７Ａに開示されている。

膨張行程では、火花点火されるまではピストンの下降に伴い筒内圧が低下するので、圧縮行程中に燃料噴射する場合と比べて、燃料噴霧の到達距離は長く、かつ燃料は気化し易くなる。換言すると、膨張行程中は圧縮行程中に比べて燃料噴霧が拡散し易い。このため、上記文献のように燃料噴射弁が燃焼室天井面の中央部に点火プラグと隣接するよう設けられた構成において、膨張行程に燃料を噴射すると、点火時期における点火プラグ周辺の混合気量が不足して、失火を招く可能性がある。すなわち、上記文献に記載の技術には、燃焼安定性の観点から改良の余地がある。

そこで本発明では、燃焼安定性を確保しつつ排気浄化触媒の早期活性化を実現し得る制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、筒内の混合気に点火を行なう点火プラグと、を備え、特定の運転条件時には膨張行程にて燃料を噴射し、膨張行程で噴射した後に点火を行なう筒内直接噴射式火花点火内燃機関を制御する内燃機関制御装置が提供される。この内燃機関制御装置は、点火時期が遅いほど、膨張行程での燃料噴射時期と点火時期との間隔を短くする。

図１は、本実施形態の制御を適用する内燃機関の構成図である。 図２は、燃料噴射弁の噴霧ビームの一例を示す図である。 図３は、燃料噴射弁と点火プラグとの位置関係の一例を示す図である。 図４は、燃料噴射弁と点火プラグとの位置関係の他の例を示す図である。 図５は、燃料噴射量、噴射時期及び点火時期の制御ルーチンの参考例を示すフローチャートである。 図６は、点火時期における混合気の様子を説明するための図である。 図７は、燃料噴射時期から点火時期までの間隔Δｔと点火時期との関係を示す図である。 図８Ａは、燃料噴射時期と筒内の各因子と点火時期との関係の一例を示す図である。 図８Ｂは、燃料噴射時期と筒内の各因子と点火時期との関係の他の例を示す図である。 図９は、第１実施形態にかかる制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、要求Δｔマップである。 図１１は、要求噴射終了時期の算出に用いるマップデータである。 図１２は、第１実施形態の制御を実行した場合のタイミングチャートである。 図１３は、第２実施形態にかかる制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１４は、第２実施形態における膨張行程燃料噴射量と点火時期との関係を示す図である。 図１５は、第２実施形態における吸気行程燃料噴射量と膨張行程燃料噴射量との関係を示す図である。 図１６は、第３実施形態における吸気行程燃料噴射量と膨張行程燃料噴射量との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態を適用する筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン（以下、「エンジン」ともいう）の概略構成図である。

エンジン１は、吸気通路２及び吸気バルブ３を介して燃焼室４に新気を導入する。燃焼室４の下部には往復運動を行うピストン５が設けられている。ピストン５の冠面中央部にはキャビティ５ａが形成されている。

燃焼室４の上部には、燃焼室４に燃料を直接噴射する燃料噴射弁６と、燃焼室４内の混合気に火花点火を行う点火プラグ７と、が設けられている。燃料噴射弁６は、圧縮行程後半における筒内圧上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の高いホールノズル噴射弁である。本実施形態で用いる燃料噴射弁６は、図２に示すように６本の噴霧ビーム（Ｂ１−Ｂ６）が燃料噴射弁６を頂点とする円錐形状を形成するように広がるものであるが、ビームの本数等はこれに限られるわけではない。

図３及び図４は、燃料噴射弁６と点火プラグ７との位置関係を説明するための図であり、燃焼室４の天井面をピストン５側から見た状態を示している。

燃料噴射弁６と点火プラグ７とは、いずれも燃焼室４の天井面の中央付近に隣接して配置されている。具体的には、燃料噴射することによって点火プラグ７の周辺にガス流動を生成できるように配置されていればよい。例えば、図３に示すように、噴霧ビームの一部（図中のＢ５）が点火プラグ７の火花ギャップを通過するような配置であってもよい。また、図４に示すように、噴霧ビームの一部（図中のＢ５またはＢ６）が点火プラグ７の火花ギャップ近傍を通過するような配置であってもよい。

燃焼終了後の排気ガスは、排気バルブ８を介して燃焼室４から排気通路９に排出される。排気通路９には排気空燃比を検出する排気空燃比センサ２１が設けられており、その下流に排気浄化触媒１１が設けられている。

吸気バルブ３と排気バルブ８とは、それぞれ吸気カムシャフトに設けられた吸気カム１２と排気カムシャフトに設けられた排気カム１３とにより駆動される。吸気カムシャフトの端部には燃料ポンプ１４が介装されており、この燃料ポンプ１４で加圧された燃料は高圧燃料配管１５を通して燃料噴射弁６に導かれる。なお、高圧燃料配管１５には、高圧燃料配管１５を通過する燃料の圧力を検知する燃圧センサ２３が設けられている。

エンジン１はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０により統合的に制御される。このため、ＥＣＵ２０には排気空燃比センサ２１、燃圧センサ２３の他、吸入空気量を検出するエアフローメータ２４、アクセルペダル踏み込み量を検知するアクセル開度センサ２５、さらにはクランク角センサ２６、カム角センサ２７、冷却水温度センサ２８、スタータスイッチ２９等から信号が入力される。ＥＣＵ２０はこれらの信号に基づいて燃料噴射弁６、点火プラグ７および燃料ポンプ１４等を制御する。

図５は、上述したエンジン１の、燃料噴射量、噴射時期及び点火時期の制御ルーチンの参考例を示すフローチャートである。

運転者がエンジン起動操作を行うことでスタータスイッチがＯＮになったら、ステップＳ１１でＥＣＵ２０はスタータを起動させる。これによりエンジン１はクランキングを開始する。

ステップＳ１２で、ＥＣＵ２０はクランク角度センサ２７およびカム角センサ２７の検出値に基づいて気筒判別を行う。

ステップＳ１３で、ＥＣＵ２０は吸入空気量ＱＭ、エンジン回転速度ＮＥ、燃料圧力Ｐｆ、冷却水温度Ｔｗ、初爆からの各気筒のサイクル数Ｎｃｙｌを読み込む。なお、各気筒のサイクル数Ｎｃｙｌは燃料噴射弁６の噴射回数や点火プラグ７の点火回数等から判断可能である。

ステップＳ１４で、ＥＣＵ２０は冷却水温度Ｔｗ及びエンジン回転速度ＮＥに応じて目標トルクＴＴＣ算出する。例えば、図に示すような目標トルクＴＴＣを冷却水温度Ｔｗ、エンジン回転速度ＮＥに割り付けたテーブルデータを予めＥＣＵ２０に格納しておき、これを参照することで求める。

ステップＳ１５で、ＥＣＵ２０は、目標トルクＴＴＣとエンジン回転速度ＮＥとから目標燃空比ＴＦＢＹＡを算出する。目標燃空比ＴＦＢＹＡは、例えば図に示すような目標燃空比ＴＦＢＹＡをエンジン回転速度ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに割り付けたマップデータをＥＣＵ２０に格納しておき、これを参照することで算出する。なお、目標燃空比ＴＦＢＹＡは、目標空気過剰率λの逆数を意味する。

ステップＳ１６で、ＥＣＵ２０はスタータスイッチ（ＳＴＳＷ）がＯＮからＯＦＦに切り替わったか否かを判定する。ＯＮからＯＦＦに切り替わっていればステップＳ１７の処理を実行し、ＯＮのままであればステップＳ２６の処理を実行する。

ステップＳ１７で、ＥＣＵ２０は燃料圧力Ｐｆが所定の燃料圧力ＬＰｆより高いか否かを判定する。なお、ここで用いる所定の燃料圧力値ＬＰｆは、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧形状が変形して燃料噴霧の一部が直接点火プラグ７に到達せず、失火するおそれがある燃圧値として設定されたものであり、予め実験等によって燃料噴射弁６の特性として燃料圧力と噴霧との関係を調べて決定した値である。Ｐｆ＞ＬＰｆであればステップＳ１８の処理を実行し、Ｐｆ≦ＬＰｆであればステップＳ２６の処理を実行する。

ステップＳ１８で、ＥＣＵ２０は触媒昇温制御サイクル数Ｋｃｙｌを算出する。触媒昇温制御サイクル数Ｋｃｙｌは、排気浄化触媒１１が活性温度ＴｃａｔＨに達するまでに実施する必要があるサイクル数、すなわち昇温制御に必要なサイクル数である。ここでは、触媒温度Ｔｃａｔを直接計測せず、始動時水温Ｔｗ０と触媒昇温制御サイクル数Ｋｃｙｌとの関係を予め実験等により求めてテーブルデータとしてＥＣＵ２０に格納しておき、これを参照することによって算出する。ここで、本ルーチンでは始動時水温Ｔｗ０が所定温度ＬＴｗ未満ではＫｃｙｌ＝０が設定される。つまり、触媒昇温制御を行わない。なお、所定温度ＬＴｗは、燃焼安定性の問題から成層燃焼を行うことができないと判断される温度として設定されるものである。

ステップＳ１９で、ＥＣＵ２０は現時点のサイクル数Ｎｃｙｌが触媒昇温制御サイクル数Ｋｃｙｌ未満（Ｋｃｙｌ＞Ｎｃｙｌ）であるか否かを判定する。Ｋｃｙｌ＞Ｎｃｙｌであれば触媒昇温要求有りとしてステップＳ２０の処理を実行し、以下に説明するように触媒昇温制御を実施する（ステップＳ２０−Ｓ２４）。一方、Ｋｃｙｌ≦Ｎｃｙｌであれば本ルーチンを終了する。

ステップＳ２０で、ＥＣＵ２０は修正燃空比ＴＦＢＹＡ２を算出する。この修正燃空比ＴＦＢＹＡ２は、目標トルクＴＴＣを発生させるために必要とされる目標燃空比ＴＦＢＹＡと、「後燃え」をさせるための未燃成分量との和である。ここで、排気温度を効率的に昇温させるためには、主燃焼により生成される不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂の量と、主燃焼後に存在する残存酸素量とをバランスさせる必要があるため、修正燃空比ＴＦＢＹＡ２は０．８−１．０の間で設定される。

ステップＳ２１で、ＥＣＵ２０は、膨張行程にて燃料を噴射する膨張行程噴射による成層燃焼を行うために、エンジン回転速度ＮＥ及び目標トルクＴＴＣから膨張行程での最適な噴射開始時期ＩＴｅｘ（膨張行程初期から中期）を設定する。例えば、噴射開始時期ＩＴｅｘをエンジン回転速度ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに割り付けたマップデータを参照して設定する。ここで使用する噴射開始時期ＩＴｅｘのマップデータは、エンジン回転速度ＮＥ及びエンジン負荷と、最適な噴射開始時期ＩＴｅｘとの関係を実験等により予め求め、ＥＣＵ２０に格納したものである。

ステップＳ２２で、ＥＣＵ２０は基本燃料噴射量（Ｋ×ＱＭ／ＮＥ；Ｋは定数）に、修正目標燃空比ＴＦＢＹＡ２と燃焼効率係数Ｋｃｏが乗算されて、修正燃料噴射量Ｑｆｅｘが設定される。基本燃料噴射量は、吸入空気量ＱＭとエンジン回転速度ＮＥとから定まる理論空燃比相当の燃料噴射量である。ここで燃焼効率係数Ｋｃｏを乗算するのは、膨張行程噴射では供給燃料の一部は「後燃え」に用いられ、全量がトルクとならないので、その燃焼効率を考慮する必要があるためである。なお、燃焼効率係数Ｋｃｏは、例えば燃焼効率とエンジン負荷に対する関係とを予め実験等により求めてその関係をＥＣＵ２０に格納しておき、これを参照することで読み込む。また、目標燃空比ＴＦＢＹＡとなるように、燃焼効率を考慮することで増加した燃焼量分に応じてスロットル（空気量）が調節される。

なお、膨張行程噴射による成層燃焼時は、その点火時期における点火プラグ７周辺の混合気がストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となり、また、膨張行程噴射による成層燃焼時は、そのトータル排気空燃比がストイキから弱リーン（排気Ａ／Ｆ＝１４．４−１８程度）となるように制御されることが望ましい。

ステップＳ２３で、ＥＣＵ２０は燃料分割比Ｋｓｐ、すなわち全（修正）燃料量Ｑｆｅｘに対して一部の燃料を先行して噴射するための先行噴射燃料量の割合を設定する。この燃料分割比Ｋｓｐは、エンジン回転速度ＮＥ、エンジン負荷によって最適値が存在するものの、通常は０−０．３（つまり０％−３０％）程度の値に設定される。ここでは、実験結果に基づいて燃料分割比Ｋｓｐが設定されている。

ステップＳ２４で、ＥＣＵ２０は以下の方法で点火時期ＡＤＶを算出する。

まず、燃料圧力Ｐｆにて修正燃料噴射量Ｑｆｅｘを噴射するのに必要な噴射期間のクランク角換算値（以下、単に「噴射期間」ともいう）Ｔｌを求める。この噴射期間Ｔｌは、例えば単位時間あたりの噴射量（噴射率）ｄＱｆを求め、修正燃料噴射量Ｑｆｅｘ及び噴射率ｄＱｆから式（１）にて求める。なお、噴射率ｄＱｆは燃料噴射弁６の燃料圧力Ｐｆに対する噴射率特性を予め実験等により求めてテーブルデータとしてＥＣＵ２０に格納しておき、これを参照することで求める。

Ｔｌ＝Ｑｆｅｘ／ｄＱｆ×３６０×ＮＥ／６０×Ｃ ・・・（１）
Ｃは単位換算用の定数

そして、算出した噴射期間Ｔｌ及び読み込んだ噴射開始時期ＩＴｅｘを用いて、式（２）にて点火時期ＡＤＶを算出する。
ＡＤＶ＝ＩＴｅｘ＋Ｔｌ−Ｔｄ ・・・（２）

ここで、Ｔｄは噴霧の終端近傍に点火を行え、かつ噴霧先端が燃焼室４の壁面に到達する前に点火を行えるように点火時期ＡＤＶを適合するための係数である。なお、この係数Ｔｄは、予め実験等により最適値を求めて、そのデータをＥＣＵ２０に格納しておき、都度これを参照することで求めることができる。

ステップＳ２５で、ＥＣＵ２０は燃料噴射を行う。ただし、先行噴射燃料量（＝全燃料量Ｑｆｅｘ×燃料分割比Ｋｓｐ）を吸気行程中に先行して噴射し、残り（＝Ｑｆｅｘ×（１−Ｋｓｐ））を膨張行程初期から中期の間で設定した燃料噴射時期ＩＴｅｘにて噴射する。

一方、ステップＳ１６でスタータスイッチがＯＮのままである場合、またはステップＳ１７で燃料圧力Ｐｆが所定の燃料圧力値ＬＰｆ以下である場合に実行するステップＳ２６では、ＥＣＵ２０は通常の制御を行なう。ここでいう通常の制御とは、次のようなものである。

まず、スタータスイッチがＯＮのままである場合は、急激な回転上昇を伴う始動過渡時である。この場合には、基本燃料噴射量、目標燃空比、水温増量補正、始動及び始動後増量補正等から算出された燃料量を吸気行程または圧縮行程後半に噴射する。また、良好な回転上昇のため、点火時期ＡＤＶは通常のファストアイドル時の点火時期よりも比較的進角側に設定する。

一方、スタータスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わった後でも、燃料圧力Ｐｆが所定の燃料圧力値ＬＰｆ以下の場合は、燃料噴霧の一部が直接点火プラグ７に到達せずに失火するおそれがあると判断して、吸気行程または圧縮行程に燃料を噴射し、点火時期ＡＤＶは燃料噴射時期にかかわらず、例えばエンジン回転速度及び機関負荷に対するＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）に設定する。

図６は、上述した制御ルーチンを実行した場合に期待される、点火時期における混合気の様子を説明するための図である。図示するように、点火時期において、点火プラグ７周りには膨張行程噴射によってストイキよりもリッチかつ着火可能な空燃比の混合気が形成され、その混合気の外側には、吸気行程噴射によってストイキよりもリーンな混合気が形成されていることが期待される。そして、「後燃え」による触媒昇温の効果を向上させるためには、より遅いタイミングで点火を行なって、より高温の排気ガスがエンジン１から排出されるようにすることが望ましい。

ところで、燃料は、圧力が低下するほど蒸発し易くなるという一般的な流体の特性を有する。換言すると、燃料は筒内圧が低いほど拡散し易くなる特性がある。そして、膨張行程中は、ピストン５の下降にともなって筒内圧が低下する。すなわち、触媒昇温を促進させるために点火時期を遅らせるほど、膨張行程に噴射された燃料は拡散し易くなり、点火時期において点火プラグ７周りに図６に示すようなストイキよりリッチかつ着火可能な混合気を存在させることが難しくなる。その結果、失火を招く可能性が高まる。このように、上述した制御ルーチンには燃焼安定性を確保する観点から改善の余地がある。

そこで本実施形態では、燃焼安定性を確保しつつ、排気浄化触媒を早期活性化させるために、以下に説明する制御を実行する。

まず、本実施形態にかかる制御の基となる考え方について説明する。

膨張行程噴射で噴射された燃料は、上述したように膨張行程の後半になるほど拡散し易い。そして、点火プラグ７周りの混合気濃度が低下してから点火すると燃焼安定性を損なう。

そこで、膨張行程噴射を行う場合には、点火プラグ７周りの混合気濃度が低下する前に点火が行われるように、燃料噴射終了時期から点火時期までの間隔（以下、「噴射−点火間隔」ともいう）Δｔを短くする。また、膨張行程中はピストン５の位置が下がるほど筒内圧が低くなって、燃料噴霧が拡散し易くなるので、図７に示すように点火時期が遅くなるほどΔｔを短くする。

図８Ａ及び図８Ｂは、噴射−点火間隔Δｔと燃焼安定性との関係を説明するためのタイミングチャートである。図８Ａは燃料噴射が膨張行程の比較的早い時期に行われる場合（以下、「燃料噴射時期が早い場合」ともいう）のチャートである。図８Ｂは燃料噴射が膨張行程の中期に行われる場合（以下「燃料噴射時期が遅い場合」ともいう）のチャートである。図中の「安定点火ウィンドウ」は、良好な燃焼が得られる点火時期の範囲を意味する。つまり、点火プラグ７周りの混合気濃度がほぼピークとなっている間が安定点火ウィンドウになる。そして、点火時期はこの安定点火ウィンドウを含むように設定される。

なお、両図を比較すると燃料噴射時期が同じような位置に示されているが、これはΔｔの大きさを比較するために燃料噴射時期を基準として筒内の各因子の変動及び点火時期を示したからであり、実際の燃料噴射時期は図８Ａの方が図８Ｂよりも進角側である。点火時期についても同様であり、図８Ａの点火時期Ｔｉｔ１の方が図８Ｂの点火時期Ｔｉｔ２よりも進角側である。

点火プラグ７周りのガスの流速は、図８Ａ、図８Ｂともに燃料噴射開始とともに上昇し、燃料噴射終了後に低下している。ただし、図８Ｂの方が、流速の最大値は大きく、また、最大値になるまでの期間及び最大値から低下するまでの期間は短い。これは、燃料噴射時期が遅いほど筒内圧が低い状態で噴射されることになり、筒内圧が低いほどガスは流動し易いためである。

このガスの流動性の違いは、点火プラグ７周りの混合気濃度及びガス流動の乱れにも影響し、燃料噴射時期の早い場合（図８Ａ）の方が遅い場合（図８Ｂ）に比べて、点火プラグ７周りの混合気濃度及びガス流動の乱れは緩やかに上昇し、緩やかに下降する。このため、燃料噴射終了時期と安定点火ウィンドウとの間隔は、燃料噴射時期の早い方が遅い方に比べて長くなる。

その結果、燃料噴射時期が遅い場合に、燃料噴射時期が早い場合における噴射−点火間隔Δｔ１を用いて点火時期を設定すると、図８Ｂに破線で示すように点火時期が安定点火ウィンドウから外れてしまう。燃料噴射時期が比較的遅い場合において燃焼安定性を確保するためには、図８Ｂに示すように噴射−点火間隔をΔｔ２まで短縮する必要がある。このことは、図７で説明した噴射−点火間隔Δｔと点火時期との関係と合致する。なお、噴射−点火間隔Δｔが短くなるほど、混合気の形成に供される時間は短くなるが、近年は燃料ポンプの高圧化が進み、燃料噴霧が微粒化されているので、スモークが発生することはない。

次に、本実施形態にかかる制御の具体的な内容について説明する。

図９は、本実施形態にかかる制御ルーチンを示すフローチャートである。上述したように、図５の制御ルーチンには触媒昇温制御中（ステップＳ２０−Ｓ２４）の燃料噴射時期及び点火時期に改善の余地がある。そこで本実施形態では図５のＳ２０−Ｓ２４に代えて図９の制御ルーチンにより燃料噴射時期及び点火時期を制御する。

ステップＳ３０で、ＥＣＵ２０は目標トルクＴＴＣとエンジン回転速度ＮＥとを読み込む。

ステップＳ３１で、ＥＣＵ２０は排気浄化触媒１１が活性状態か否かを判定し、活性状態であればステップＳ３７にて通常の均質燃焼の実行を決定する。ここでいう通常の均質燃焼とは、吸気行程噴射によって筒内全体に均質なストイキの混合気を形成し、圧縮行程中に点火を行う燃焼モードである。

ステップＳ３１にて未活性状態であると判定した場合は、ＥＣＵ２０はステップＳ３２の処理を実行する。

ステップＳ３２で、ＥＣＵ２０は、膨張行程噴射によって成層混合気を形成する燃焼形態（膨張行程成層燃焼）の実行を決定する。

ステップＳ３３で、ＥＣＵ２０は冷却水温度Ｔｗを読み込む。なお、ここで読み込むのは筒内温度と相関のある温度であればよく、例えば、油温を読み込んでもよい。

ステップＳ３４で、ＥＣＵ２０は点火時期を更新する。例えば、燃焼安定限界に対して余裕をもたせて予め設定しておいた膨張行程成層燃焼用の基準点火時期を遅角側にずらす。筒内温度が低いほど燃焼安定度は低下するので、どの程度ずらすかは冷却水温に応じて決定する。なお、基準点火時期は本制御ルーチンとは別の制御ルーチン、例えば図５のステップＳ２０−Ｓ２４、にて設定するようにしてもよい。

ステップＳ３５で、ＥＣＵ２０は要求Δｔを算出する。要求Δｔとは、膨張行程成層燃焼において、燃焼安定性を確保し得る噴射−点火間隔を意味する。要求Δｔは、例えば図１０に示すような要求Δｔを吸入空気量及び点火時期に割り付けたマップデータをＥＣＵ２０に格納しておき、これを参照することで算出する。図１０では、点火時期が遅角側になるほど、そして吸入空気量が少なくなるほど、要求Δｔは短くなっている。点火時期が遅角側になるほど要求Δｔが短くなるのは、上述したように点火時期が遅くなるほど筒内圧が低下して燃料噴霧が拡散し易くなるためである。吸入空気量が多くなると要求Δｔが長くなるのは、吸入空気量が多くなることで燃料噴射量も多くなり、拡散に要する時間が長くなるためである。なお、吸入空気量は目標トルク及びエンジン回転速度から算出してもよいし、ステップＳ３０にてエアフローメータ２４の検出値を読み込むようにしてもよい。

ステップＳ３６で、ＥＣＵ２０は下記の方法にて燃料噴射時期を設定する。

まず、ステップＳ３４で更新した点火時期（要求点火時期）及び吸入空気量から燃料噴射の終了時期（要求噴射終了時期）を算出する。要求噴射終了時期は、例えば要求点火時期と要求噴射終了時期と吸入空気量との関係を予め実験等により求めて、図１１に示すようなマップデータとしてＥＣＵ２０に格納しておき、要求点火時期と吸入空気量とに基づいて算出する。

このようにして算出した要求噴射終了時期と、燃料噴射量から求まる燃料噴射期間とを用いれば、燃料噴射開始時期も求まる。なお、燃料噴射量は、例えば図５のステップＳ２２、Ｓ２３と同様の手法により設定する。

そして、ＥＣＵ２０は、上記のように算出した燃料噴射開始時期に燃料噴射を開始する。

図１２は、エンジン１の冷機始動時に本実施形態の制御を実行した場合のタイミングチャートである。ここでは、時刻０でエンジン１を起動した後、アイドリング状態を維持するものとする。

冷機始動後なので、排気浄化触媒１１を昇温するために膨張行程成層燃焼を実行する。そして、シリンダ壁温の上昇に応じて点火時期を徐々に遅角側に移行し、これに応じて燃料噴射終了時期も遅角側に移行している。点火時期を遅角するということは、点火時期が燃焼安定限界に近づくことになるが、上述した噴射−点火間隔Δｔとなるように燃料噴射終了時期を設定するので、安定した成層燃焼を実現できる。その結果、燃焼安定度が許容限界を超えることはない。

以上のように、本実施形態では、排気浄化触媒１１の昇温を促進する運転条件（特定の運転条件）では、膨張行程にて燃料を噴射し、膨張行程で噴射された燃料噴霧に点火を行なって成層燃焼（層状燃焼）させる。このとき、ＥＣＵ２０は、点火時期が遅いほど膨張行程での燃料噴射時期と点火時期との間隔（Δｔ）を短くする。

これにより、点火プラグ７周りの燃料噴霧が拡散してしまう前に点火することが可能となり、成層燃焼の燃焼安定度を確保することができる。すなわち、燃焼安定度を確保しつつ、成層燃焼による排気浄化触媒１１の早期活性化を実現することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態では、膨張行程成層燃焼の燃焼安定度をより高めるために、点火時期を遅くなるほど、つまり燃焼限界に近づくほど、膨張行程での燃料噴射量を多くする。膨張行程での燃料噴射量を多くすることで燃焼安定度が高まるのは、次の理由による。

第１に、膨張行程での燃料噴射量が多いほど、点火時期までに拡散が進んだとしても、点火時期において点火プラグ７周りに残っているリッチかつ着火可能な混合気量が多くなるからである。第２に、燃料噴射弁６の噴射特性による。燃料噴射弁６の噴射量は、基本的には噴射駆動パルス幅（噴射時間）に比例する。しかし、噴射駆動パルス幅を短くしていくと、噴射弁本体や制御回路の性能の制約により、極短い駆動噴射パルス幅領域では噴射駆動パルス幅と噴射量との線形性は崩れる。したがって、噴射駆動パルス幅が長くなるほど、燃料噴射量のバラツキが小さくなり、燃焼安定度が高まる。

図１３は、本実施形態にかかる制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ４０−Ｓ４５、Ｓ４８は、図９のステップＳ３０−Ｓ３５、Ｓ３７と同じなので、説明を省略する。

ステップＳ４６で、ＥＣＵ２０は吸気行程噴射の噴射時期を設定する。まず、吸気行程噴射での燃料噴射量を算出し、これに基づいて吸気行程中に燃料噴射が終了するように燃料噴射開始時期を設定する。吸気行程噴射での燃料噴射量は、例えば図５のステップＳ２３と同様に、全燃料量Ｑｆｅｘと燃料分割比Ｋｓｐとに基づいて算出すればよい。

ステップＳ４７で、ＥＣＵ２０は膨張行程噴射の噴射時期を設定する。まず、膨張行程噴射での燃料噴射量を算出し、これに基づいて図９のステップＳ３６と同様の手法にて燃料噴射時期を設定する。膨張行程噴射での燃料噴射量は、例えば図１４に示すように点火時期と膨張行程での燃料噴射量との関係を予め設定しＥＣＵ２０に格納しておいたテーブルデータを参照することで算出する。図１４において、膨張行程噴射での燃料噴射量は、ＰＭ（Ｐａｔｉｃｕｒａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）の排出量規制値から定まる燃料噴射量（図中の破線）を超えないように設定されている。

図１５は、本実施形態における吸気行程噴射での燃料噴射量及び膨張行程噴射での燃料噴射量と、点火時期との関係をまとめたものである。図示するように、吸気行程噴射での燃料噴射量は点火時期によらず一定であるのに対し、膨張行程噴射での燃料噴射量は、上述したように点火時期が遅角側になるほど多くなる。

以上のように本実施形態では、ＥＣＵ２０は点火時期が遅いほど膨張行程での燃料噴射量を増加させるので、点火時期における点火プラグ７周りの混合気濃度の低下を抑制し、かつ、燃料噴射量制御の安定性を高めることができる。これにより、燃焼安定性の向上を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態は、基本的には第２実施形態と同様に図１３の制御ルーチンを実行するが、ステップＳ４６における吸気行程噴射での燃料噴射量の算出法が異なる。ステップＳ４６以外の処理内容は第２実施形態と同じなので説明を省略する。

図１６は、本実施形態における吸気行程噴射での燃料噴射量及び膨張行程噴射での燃料噴射量と、点火時期との関係をまとめたものである。図示するように、ＥＣＵ２０は、点火時期が所定時期（図中のＡＤＶ１）より遅い場合には、吸気行程で噴射される燃料により筒内全体に形成される均質混合気の空燃比がストイキよりもリッチになるように、吸気行程での燃料噴射量を増加させる。なお、図１６では点火時期ＡＤＶ１より遅くなるほど吸気行程噴射量が多くなっているが、点火時期ＡＤＶ１より遅角側を進角側よりも多い一定値としてもよい。

所定時期は、仮に吸気行程噴射により筒内全体に生成する均質混合気の空燃比がストイキよりもリーンであれば、膨張行程噴射により生成した点火プラグ７周りの混合気に点火しても十分な燃焼速度が得られず、また、燃焼安定性も確保できなくなる点火時期である。このような所定時期はエンジン１の仕様に応じて異なるものであり、実験等の結果に基づいて設定する。

吸気行程噴射により筒内全体に形成される均質混合気の空燃比がストイキよりもリッチであれば、ストイキよりリーンの場合に比べて火炎は伝播し易くなる。すなわち、点火時期の遅角化によって点火時期における点火プラグ７周りの成層混合気濃度が低下したとしても、燃焼安定性と燃焼速度とを確保することができる。

以上のように本実施形態では、点火時期が所定時期より遅い場合には、吸気行程で噴射される燃料により筒内全体に形成される均質混合気の空燃比がストイキよりもリッチになるように、吸気行程での燃料噴射量を増加させる。これにより、膨張行程噴射時期及び点火時期を遅角化した場合の燃焼安定性及び燃焼速度を確保することができる。

なお、上記の各実施形態では、噴射−点火間隔Δｔを燃料噴射終了時期から点火時期までの間隔としたが、これに限られるわけではない。各実施形態は点火プラグ７周りの成層混合気が拡散してしまう前に点火するという技術思想に基づくものなので、燃料噴射開始時期から点火時期までの間隔を噴射−点火間隔Δｔとしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

ステップＳ１４で、ＥＣＵ２０は冷却水温度Ｔｗ及びエンジン回転速度ＮＥに応じて目標トルクＴＴＣを算出する。例えば、図に示すような目標トルクＴＴＣを冷却水温度Ｔｗ、エンジン回転速度ＮＥに割り付けたテーブルデータを予めＥＣＵ２０に格納しておき、これを参照することで求める。

ステップＳ１７で、ＥＣＵ２０は燃料圧力Ｐｆが所定の燃料圧力ＬＰｆより高いか否かを判定する。なお、ここで用いる所定の燃料圧力値ＬＰｆは、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧形状が変形して燃料噴霧の一部が直接点火プラグ７に到達せず、失火するおそれがある燃料圧力値として設定されたものであり、予め実験等によって燃料噴射弁６の特性として燃料圧力と噴霧との関係を調べて決定した値である。Ｐｆ＞ＬＰｆであればステップＳ１８の処理を実行し、Ｐｆ≦ＬＰｆであればステップＳ２６の処理を実行する。

ステップＳ４７で、ＥＣＵ２０は膨張行程噴射の噴射時期を設定する。まず、膨張行程噴射での燃料噴射量を算出し、これに基づいて図９のステップＳ３６と同様の手法にて燃料噴射時期を設定する。膨張行程噴射での燃料噴射量は、例えば図１４に示すように点火時期と膨張行程での燃料噴射量との関係を予め設定しＥＣＵ２０に格納しておいたテーブルデータを参照することで算出する。図１４において、膨張行程噴射での燃料噴射量は、ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）の排出量規制値から定まる燃料噴射量（図中の破線）を超えないように設定されている。

Claims (4)

1. 筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   筒内の混合気に点火を行なう点火プラグと、
   を備え、
   特定の運転条件時には、膨張行程にて燃料を噴射し、膨張行程にて噴射した後に点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関を制御する内燃機関制御装置において、
   点火時期が遅いほど、膨張行程での燃料噴射時期と点火時期との間隔を短くする内燃機関制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関制御装置において、
   点火時期が遅いほど、膨張行程での燃料噴射量を増加させる内燃機関制御装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関制御装置において、
   前記特定の運転条件時には、膨張行程の他に吸気行程にも燃料を噴射し、
   点火時期が所定の時期より遅い場合には、吸気行程で噴射される燃料により筒内全体に形成される均質混合気の空燃比がストイキよりもリッチになるように吸気行程での燃料噴射量を増加させる内燃機関制御装置。
4. 筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   筒内の混合気に点火を行なう点火プラグと、
   を備え、
   特定の運転条件時には、膨張行程にて燃料を噴射し、膨張行程にて噴射した後に点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関を制御する内燃機関制御方法において、
   点火時期が遅いほど、膨張行程での燃料噴射時期と点火時期との間隔を短くする内燃機関制御方法。

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