WO2016194184A1 - 内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法 - Google Patents

内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法 Download PDF

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田中　大輔
亮 内田
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to control of an in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine (hereinafter also simply referred to as “engine”) that directly injects fuel into the cylinder.
  • engine an in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine
  • the exhaust purification catalyst cannot exhibit a sufficient purification function, so it is also necessary to reduce the exhaust amount of HC, NOx, etc. from the engine.
  • the fuel that collided with the cylinder wall surface or the piston crown surface adheres to the wall surface as it is and tends to liquefy. It tends to increase.
  • JP2006 discloses a technique in which fuel is injected during the expansion stroke and spark ignition is performed before the tip of the fuel spray reaches the wall surface or the like. -52687A.
  • the in-cylinder pressure decreases as the piston descends until the spark is ignited. Therefore, compared with the case where fuel is injected during the compression stroke, the fuel spray reaches a longer distance and the fuel is more easily vaporized. In other words, the fuel spray is more easily diffused during the expansion stroke than during the compression stroke. Therefore, in the configuration in which the fuel injection valve is provided adjacent to the spark plug at the center of the combustion chamber ceiling as in the above document, the amount of air-fuel mixture around the spark plug at the ignition timing when fuel is injected during the expansion stroke There is a possibility that misfire may be caused. That is, the technique described in the above document has room for improvement from the viewpoint of combustion stability.
  • an object of the present invention is to provide a control device and a control method capable of realizing early activation of an exhaust purification catalyst while ensuring combustion stability.
  • a fuel injection valve for injecting fuel into a cylinder and an ignition plug for igniting an air-fuel mixture in the cylinder are provided, and the fuel is injected in an expansion stroke under a specific operating condition.
  • an internal combustion engine control apparatus for controlling a direct injection type spark ignition internal combustion engine that performs ignition after injection in an expansion stroke. This internal combustion engine controller shortens the interval between the fuel injection timing and the ignition timing in the expansion stroke as the ignition timing is delayed.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an internal combustion engine to which the control of this embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a spray beam of a fuel injection valve.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a positional relationship between the fuel injection valve and the spark plug.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating another example of the positional relationship between the fuel injection valve and the spark plug.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a reference example of a control routine for the fuel injection amount, the injection timing, and the ignition timing.
  • FIG. 6 is a view for explaining the state of the air-fuel mixture at the ignition timing.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the interval ⁇ t from the fuel injection timing to the ignition timing and the ignition timing.
  • FIG. 8A is a diagram showing an example of the relationship between the fuel injection timing, each in-cylinder factor, and the ignition timing.
  • FIG. 8B is a diagram illustrating another example of the relationship between the fuel injection timing, each in-cylinder factor, and the ignition timing.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a control routine according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a request ⁇ t map.
  • FIG. 11 is map data used for calculating the required injection end timing.
  • FIG. 12 is a timing chart when the control of the first embodiment is executed.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a control routine according to the second embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the expansion stroke fuel injection amount and the ignition timing in the second embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the intake stroke fuel injection amount and the expansion stroke fuel injection amount in the second embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the intake stroke fuel injection amount and the expansion stroke fuel injection amount in the third embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an in-cylinder direct fuel injection spark ignition engine (hereinafter also referred to as “engine”) to which the present embodiment is applied.
  • engine direct fuel injection spark ignition engine
  • the engine 1 introduces fresh air into the combustion chamber 4 through the intake passage 2 and the intake valve 3.
  • a piston 5 that reciprocates is provided at the lower portion of the combustion chamber 4.
  • a cavity 5 a is formed at the center of the crown surface of the piston 5.
  • a fuel injection valve 6 that directly injects fuel into the combustion chamber 4 and an ignition plug 7 that performs spark ignition on the air-fuel mixture in the combustion chamber 4 are provided.
  • the fuel injection valve 6 is a hole nozzle injection valve with a small directivity and a high directivity even when the in-cylinder pressure rises in the latter half of the compression stroke.
  • the fuel injection valve 6 used in the present embodiment is such that six spray beams (B1-B6) spread so as to form a conical shape with the fuel injection valve 6 at the top. This number is not limited to this.
  • 3 and 4 are views for explaining the positional relationship between the fuel injection valve 6 and the spark plug 7, and show a state in which the ceiling surface of the combustion chamber 4 is viewed from the piston 5 side.
  • the fuel injection valve 6 and the spark plug 7 are both disposed adjacent to the vicinity of the center of the ceiling surface of the combustion chamber 4. Specifically, it may be arranged so that gas flow can be generated around the spark plug 7 by fuel injection. For example, as shown in FIG. 3, the arrangement may be such that a part of the spray beam (B5 in the figure) passes through the spark gap of the spark plug 7. Further, as shown in FIG. 4, it may be arranged such that a part of the spray beam (B5 or B6 in the figure) passes near the spark gap of the spark plug 7.
  • the exhaust gas after completion of combustion is discharged from the combustion chamber 4 to the exhaust passage 9 via the exhaust valve 8.
  • the exhaust passage 9 is provided with an exhaust air / fuel ratio sensor 21 for detecting the exhaust air / fuel ratio, and an exhaust purification catalyst 11 is provided downstream thereof.
  • the intake valve 3 and the exhaust valve 8 are driven by an intake cam 12 provided on the intake camshaft and an exhaust cam 13 provided on the exhaust camshaft, respectively.
  • a fuel pump 14 is interposed at the end of the intake camshaft, and fuel pressurized by the fuel pump 14 is guided to the fuel injection valve 6 through the high-pressure fuel pipe 15.
  • the high-pressure fuel pipe 15 is provided with a fuel pressure sensor 23 that detects the pressure of fuel passing through the high-pressure fuel pipe 15.
  • the engine 1 is controlled by an engine control unit (ECU) 20 in an integrated manner. Therefore, in addition to the exhaust air / fuel ratio sensor 21 and the fuel pressure sensor 23, the ECU 20 includes an air flow meter 24 for detecting the intake air amount, an accelerator opening sensor 25 for detecting the accelerator pedal depression amount, a crank angle sensor 26, and a cam angle. Signals are input from the sensor 27, the coolant temperature sensor 28, the starter switch 29, and the like. The ECU 20 controls the fuel injection valve 6, the spark plug 7, the fuel pump 14, and the like based on these signals.
  • ECU engine control unit
  • FIG. 5 is a flowchart showing a reference example of the control routine of the fuel injection amount, injection timing and ignition timing of the engine 1 described above.
  • the ECU 20 starts the starter in step S11. As a result, the engine 1 starts cranking.
  • step S12 the ECU 20 performs cylinder discrimination based on the detection values of the crank angle sensor 27 and the cam angle sensor 27.
  • step S13 the ECU 20 reads the intake air amount QM, the engine speed NE, the fuel pressure Pf, the coolant temperature Tw, and the cycle number Ncyl of each cylinder from the first explosion.
  • the cycle number Ncyl of each cylinder can be determined from the number of injections of the fuel injection valve 6, the number of ignitions of the spark plug 7, and the like.
  • step S14 the ECU 20 calculates the target torque TTC in accordance with the coolant temperature Tw and the engine speed NE.
  • the table data in which the target torque TTC as shown in the figure is assigned to the coolant temperature Tw and the engine speed NE is stored in the ECU 20 in advance, and is obtained by referring to this.
  • step S15 the ECU 20 calculates a target fuel-air ratio TFBYA from the target torque TTC and the engine speed NE.
  • the target fuel / air ratio TFBYA is calculated by storing map data in which the target fuel / air ratio TFBYA as shown in the figure is assigned to the engine speed NE and the target torque TTC in the ECU 20 and referring to the map data.
  • the target fuel-air ratio TFBYA means the reciprocal of the target excess air ratio ⁇ .
  • step S16 the ECU 20 determines whether or not the starter switch (STSW) has been switched from ON to OFF. If it is switched from ON to OFF, the process of step S17 is executed, and if it remains ON, the process of step S26 is executed.
  • STSW starter switch
  • step S17 the ECU 20 determines whether or not the fuel pressure Pf is higher than a predetermined fuel pressure LPf.
  • the predetermined fuel pressure value LPf used here is a fuel pressure value at which the shape of the fuel spray injected from the fuel injection valve 6 is deformed and a part of the fuel spray does not directly reach the spark plug 7 and may misfire. This is a value determined in advance by examining the relationship between fuel pressure and spraying as a characteristic of the fuel injection valve 6 through experiments or the like. If Pf> LPf, the process of step S18 is executed, and if Pf ⁇ LPf, the process of step S26 is executed.
  • step S18 the ECU 20 calculates the catalyst temperature increase control cycle number Kcyl.
  • the catalyst temperature increase control cycle number Kcyl is the number of cycles that must be performed before the exhaust purification catalyst 11 reaches the activation temperature TcatH, that is, the number of cycles necessary for temperature increase control.
  • the catalyst temperature Tcat is not directly measured, and the relationship between the starting water temperature Tw0 and the catalyst temperature increase control cycle number Kcyl is obtained in advance through experiments or the like and stored in the ECU 20 as table data. calculate.
  • Kcyl 0 is set. That is, the catalyst temperature increase control is not performed.
  • the predetermined temperature LTw is set as a temperature at which it is determined that stratified combustion cannot be performed due to the problem of combustion stability.
  • step S19 the ECU 20 determines whether or not the current cycle number Ncyl is less than the catalyst temperature increase control cycle number Kcyl (Kcyl> Ncyl). If Kcyl> Ncyl, the process of step S20 is executed with the catalyst temperature increase request being requested, and the catalyst temperature increase control is performed as described below (steps S20-S24). On the other hand, if Kcyl ⁇ Ncyl, this routine is terminated.
  • step S20 the ECU 20 calculates a corrected fuel / air ratio TFBYA2.
  • This corrected fuel / air ratio TFBYA2 is the sum of the target fuel / air ratio TFBYA required for generating the target torque TTC and the amount of unburned components for causing “afterburning”.
  • the corrected fuel-air ratio TFBYA2 is set between 0.8 and 1.0.
  • step S21 the ECU 20 performs the stratified combustion by the expansion stroke injection for injecting the fuel in the expansion stroke, from the engine rotation speed NE and the target torque TTC, the optimal injection start timing ITex (from the initial stage of the expansion stroke). Mid-term) is set.
  • the injection start timing ITex is set with reference to map data assigned to the engine speed NE and the target torque TTC.
  • the map data of the injection start time ITex used here is obtained by preliminarily obtaining the relationship between the engine rotational speed NE and the engine load and the optimum injection start time ITex and storing it in the ECU 20.
  • step S22 the ECU 20 multiplies the basic fuel injection amount (K ⁇ QM / NE; K is a constant) by the corrected target fuel-air ratio TFBYA2 and the combustion efficiency coefficient Kco to set the corrected fuel injection amount Qfex.
  • the basic fuel injection amount is a fuel injection amount corresponding to the theoretical air-fuel ratio determined from the intake air amount QM and the engine speed NE.
  • the reason why the combustion efficiency coefficient Kco is multiplied here is that, in the expansion stroke injection, a part of the supplied fuel is used for “afterburning”, and the entire amount does not become torque, so it is necessary to consider the combustion efficiency.
  • the combustion efficiency coefficient Kco is read, for example, by previously obtaining a relationship between the combustion efficiency and the engine load by experiments or the like, storing the relationship in the ECU 20, and referring to this.
  • the throttle (air amount) is adjusted according to the amount of combustion increased by considering the combustion efficiency so that the target fuel-air ratio TFBYA is obtained.
  • step S23 the ECU 20 sets the fuel split ratio Ksp, that is, the ratio of the pre-injected fuel amount for injecting a part of the fuel in advance to the total (corrected) fuel amount Qfex.
  • the fuel split ratio Ksp has an optimum value depending on the engine speed NE and the engine load, it is normally set to a value of about 0-0.3 (that is, 0% -30%).
  • the fuel split ratio Ksp is set based on the experimental result.
  • step S24 the ECU 20 calculates the ignition timing ADV by the following method.
  • a crank angle conversion value (hereinafter also simply referred to as “injection period”) Tl of an injection period required to inject the corrected fuel injection amount Qfex at the fuel pressure Pf is obtained.
  • the injection period Tl is obtained, for example, by calculating the injection amount (injection rate) dQf per unit time and using the corrected fuel injection amount Qfex and the injection rate dQf by the equation (1).
  • the injection rate dQf is obtained by referring to the injection rate characteristic of the fuel injection valve 6 with respect to the fuel pressure Pf obtained in advance through experiments or the like and stored in the ECU 20 as table data.
  • Tl Qfex / dQf ⁇ 360 ⁇ NE / 60 ⁇ C (1)
  • C is a constant for unit conversion
  • the ignition timing ADV is calculated by Equation (2) using the calculated injection period Tl and the read injection start timing ITex.
  • ADV ITex + Tl ⁇ Td (2)
  • Td is a coefficient for adapting the ignition timing ADV so that ignition can be performed near the end of spraying and ignition can be performed before the tip of the spray reaches the wall surface of the combustion chamber 4.
  • the coefficient Td can be obtained by obtaining an optimum value by an experiment or the like in advance, storing the data in the ECU 20 and referring to it each time.
  • step S25 the ECU 20 performs fuel injection.
  • the fuel is injected at the fuel injection timing ITex.
  • step S16 when the starter switch remains ON in step S16, or in step S26 executed when the fuel pressure Pf is equal to or lower than the predetermined fuel pressure value LPf in step S17, the ECU 20 performs normal control.
  • the normal control here is as follows.
  • the starter switch remains ON, it is a start-up transient with a sudden rise in rotation.
  • the fuel amount calculated from the basic fuel injection amount, the target fuel-air ratio, the water temperature increase correction, the start-up and post-start-up increase correction, and the like is injected in the latter half of the intake stroke or the compression stroke.
  • the ignition timing ADV is set to a relatively advanced side with respect to the ignition timing during normal fast idling.
  • the starter switch is switched from ON to OFF, if the fuel pressure Pf is equal to or lower than the predetermined fuel pressure value LPf, there is a possibility that a part of the fuel spray does not reach the spark plug 7 and may misfire.
  • the fuel is injected in the intake stroke or the compression stroke, and the ignition timing ADV is set to, for example, MBT (Minimum advance for the Best Torque) for the engine speed and the engine load regardless of the fuel injection timing.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the state of the air-fuel mixture at the ignition timing, which is expected when the above-described control routine is executed.
  • an air-fuel ratio mixture that is richer than ignition and can be ignited is formed around the spark plug 7 by the expansion stroke injection, and outside the mixture by the intake stroke injection from the stoichiometry. It is expected that a lean air-fuel mixture is also formed.
  • the fuel has a general fluid characteristic that it is more likely to evaporate as the pressure decreases.
  • the fuel has a characteristic that it becomes easier to diffuse as the in-cylinder pressure is lower.
  • the in-cylinder pressure decreases as the piston 5 descends. That is, as the ignition timing is delayed in order to promote the catalyst temperature rise, the fuel injected in the expansion stroke is more easily diffused, and the ignition plug 7 can be richly ignited around the spark plug 7 and stoichiometric as shown in FIG. It becomes difficult for the air-fuel mixture to exist. As a result, the possibility of causing misfire increases.
  • the control routine described above has room for improvement from the viewpoint of ensuring combustion stability.
  • control described below is executed in order to activate the exhaust purification catalyst early while ensuring the combustion stability.
  • the fuel injected by the expansion stroke injection is likely to diffuse toward the second half of the expansion stroke. And if it ignites after the air-fuel
  • injection-ignition interval an interval from the fuel injection end timing to the ignition timing
  • injection-ignition interval an interval from the fuel injection end timing to the ignition timing
  • FIG. 8A and 8B are timing charts for explaining the relationship between the injection-ignition interval ⁇ t and the combustion stability.
  • FIG. 8A is a chart in the case where fuel injection is performed at a relatively early timing of the expansion stroke (hereinafter also referred to as “the fuel injection timing is early”).
  • FIG. 8B is a chart when fuel injection is performed in the middle of the expansion stroke (hereinafter also referred to as “when fuel injection timing is late”).
  • the “stable ignition window” in the figure means a range of ignition timing at which good combustion is obtained. That is, a stable ignition window is formed while the air-fuel mixture concentration around the spark plug 7 is substantially at a peak. The ignition timing is set so as to include this stable ignition window.
  • the fuel injection timing is shown at the same position, but in order to compare the magnitude of ⁇ t, the fluctuation of each factor in the cylinder and the ignition timing are compared with the fuel injection timing as a reference. This is because the actual fuel injection timing is more advanced in FIG. 8A than in FIG. 8B. The same applies to the ignition timing, and the ignition timing Tit1 in FIG. 8A is more advanced than the ignition timing Tit2 in FIG. 8B.
  • the gas flow velocity around the spark plug 7 increases with the start of fuel injection in both FIGS. 8A and 8B and decreases after the end of fuel injection.
  • the maximum value of the flow velocity is larger, and the period until reaching the maximum value and the period until decreasing from the maximum value are shorter. This is because the in-cylinder pressure is injected as the fuel injection timing is later, and the gas flows more easily as the in-cylinder pressure is lower.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a control routine according to the present embodiment.
  • the control routine of FIG. 5 has room for improvement in the fuel injection timing and ignition timing during the catalyst temperature increase control (steps S20 to S24). Therefore, in this embodiment, the fuel injection timing and the ignition timing are controlled by the control routine of FIG. 9 instead of S20 to S24 of FIG.
  • step S30 the ECU 20 reads the target torque TTC and the engine speed NE.
  • step S31 the ECU 20 determines whether or not the exhaust purification catalyst 11 is in an active state. If the exhaust purification catalyst 11 is in an active state, the ECU 20 determines to perform normal homogeneous combustion in step S37.
  • the normal homogeneous combustion referred to here is a combustion mode in which a homogeneous stoichiometric mixture is formed in the entire cylinder by intake stroke injection, and ignition is performed during the compression stroke.
  • step S31 If it is determined in step S31 that it is in an inactive state, the ECU 20 executes the process of step S32.
  • step S32 the ECU 20 determines execution of a combustion mode (expansion stroke stratified combustion) in which a stratified mixture is formed by expansion stroke injection.
  • a combustion mode expansion stroke stratified combustion
  • step S33 the ECU 20 reads the coolant temperature Tw.
  • the temperature read here may be a temperature correlated with the in-cylinder temperature.
  • the oil temperature may be read.
  • step S34 the ECU 20 updates the ignition timing.
  • the reference ignition timing for expansion stroke stratified combustion that is set in advance with a margin for the combustion stability limit is shifted to the retard side. The lower the in-cylinder temperature, the lower the combustion stability. Therefore, how much to shift is determined according to the coolant temperature.
  • the reference ignition timing may be set in a control routine different from this control routine, for example, steps S20 to S24 in FIG.
  • step S35 the ECU 20 calculates the request ⁇ t.
  • the requirement ⁇ t means an injection-ignition interval that can ensure combustion stability in the expansion stroke stratified combustion.
  • the request ⁇ t is calculated, for example, by storing map data in which the request ⁇ t as shown in FIG. 10 is assigned to the intake air amount and the ignition timing in the ECU 20 and referring to the map data.
  • the request ⁇ t is shorter as the ignition timing is retarded and the amount of intake air is smaller.
  • the reason why the requirement ⁇ t becomes shorter as the ignition timing becomes retarded is that, as described above, the in-cylinder pressure is lowered and the fuel spray is more easily diffused as the ignition timing is delayed.
  • the reason why the demand ⁇ t becomes longer as the intake air amount increases is that the amount of fuel injection increases as the intake air amount increases and the time required for diffusion becomes longer.
  • the intake air amount may be calculated from the target torque and the engine rotational speed, or the detection value of the air flow meter 24 may be read in step S30.
  • step S36 the ECU 20 sets the fuel injection timing by the following method.
  • the fuel injection end timing (required injection end timing) is calculated from the ignition timing (required ignition timing) updated in step S34 and the intake air amount.
  • the required injection end timing is obtained by, for example, obtaining the relationship between the required ignition timing, the required injection end timing, and the intake air amount in advance through experiments or the like, and storing it in the ECU 20 as map data as shown in FIG. Calculated based on the amount of intake air.
  • the fuel injection start timing can also be determined.
  • the fuel injection amount is set, for example, by the same method as in steps S22 and S23 in FIG.
  • the ECU 20 starts fuel injection at the fuel injection start time calculated as described above.
  • FIG. 12 is a timing chart when the control of this embodiment is executed when the engine 1 is cold-started. Here, it is assumed that the idling state is maintained after starting the engine 1 at time 0.
  • the expansion stroke stratified combustion is executed to raise the temperature of the exhaust purification catalyst 11.
  • the ignition timing gradually shifts to the retard side as the cylinder wall temperature rises, and the fuel injection end timing also shifts to the retard side accordingly. Delaying the ignition timing means that the ignition timing approaches the combustion stability limit, but the fuel injection end timing is set so as to satisfy the above-described injection-ignition interval ⁇ t, so that stable stratified combustion can be realized. . As a result, the combustion stability does not exceed the allowable limit.
  • the ECU 20 shortens the interval ( ⁇ t) between the fuel injection timing and the ignition timing in the expansion stroke as the ignition timing is delayed.
  • the injection amount of the fuel injection valve 6 is basically proportional to the injection drive pulse width (injection time).
  • injection drive pulse width injection time
  • the linearity between the injection drive pulse width and the injection amount is lost in the extremely short drive injection pulse width region due to the restriction of the performance of the injection valve main body and the control circuit. Therefore, the longer the injection drive pulse width, the smaller the variation in the fuel injection amount and the higher the combustion stability.
  • FIG. 13 is a flowchart showing a control routine according to the present embodiment.
  • Steps S40 to S45 and S48 are the same as steps S30 to S35 and S37 in FIG.
  • step S46 the ECU 20 sets the injection timing of the intake stroke injection.
  • the fuel injection amount in the intake stroke injection is calculated, and based on this, the fuel injection start timing is set so that the fuel injection ends during the intake stroke.
  • the fuel injection amount in the intake stroke injection may be calculated based on the total fuel amount Qfex and the fuel split ratio Ksp, for example, similarly to step S23 in FIG.
  • step S47 the ECU 20 sets the injection timing of the expansion stroke injection.
  • the fuel injection amount in the expansion stroke injection is calculated, and based on this, the fuel injection timing is set by the same method as in step S36 of FIG.
  • the fuel injection amount in the expansion stroke injection is calculated by referring to the table data stored in the ECU 20 by setting the relationship between the ignition timing and the fuel injection amount in the expansion stroke in advance.
  • the fuel injection amount in the expansion stroke injection is set so as not to exceed the fuel injection amount (broken line in the drawing) determined from the emission amount regulation value of PM (Piculate Matter).
  • FIG. 15 summarizes the relationship between the fuel injection amount in the intake stroke injection and the fuel injection amount in the expansion stroke injection and the ignition timing in the present embodiment.
  • the fuel injection amount in the intake stroke injection is constant regardless of the ignition timing, whereas the fuel injection amount in the expansion stroke injection increases as the ignition timing becomes retarded as described above. .
  • the ECU 20 increases the fuel injection amount in the expansion stroke as the ignition timing is delayed. Therefore, the decrease in the mixture concentration around the spark plug 7 at the ignition timing is suppressed, and the fuel injection amount is reduced. Control stability can be increased. Thereby, the combustion stability can be improved.
  • step S46 (Third embodiment) Next, a third embodiment will be described. Although the present embodiment basically executes the control routine of FIG. 13 as in the second embodiment, the calculation method of the fuel injection amount in the intake stroke injection in step S46 is different. Since the processing contents other than step S46 are the same as those of the second embodiment, description thereof is omitted.
  • FIG. 16 summarizes the relationship between the fuel injection amount in the intake stroke injection and the fuel injection amount in the expansion stroke injection and the ignition timing in the present embodiment.
  • the ECU 20 determines that the air-fuel ratio of the homogeneous mixture formed in the entire cylinder by the fuel injected in the intake stroke is higher than the stoichiometric ratio.
  • the fuel injection amount in the intake stroke is increased so as to be rich.
  • the intake stroke injection amount increases as the ignition timing ADV1 is delayed.
  • the retarded angle side from the ignition timing ADV1 may be set to a constant value larger than the advanced angle side.
  • the air-fuel ratio of the homogeneous mixture generated in the entire cylinder by the intake stroke injection is leaner than the stoichiometry at the predetermined time, it is sufficient to ignite the mixture around the spark plug 7 generated by the expansion stroke injection. This is the ignition timing at which the combustion speed cannot be obtained and the combustion stability cannot be secured.
  • a predetermined time differs depending on the specifications of the engine 1, and is set based on the result of an experiment or the like.
  • the flame is easier to propagate than when leaner than stoichiometric. That is, even if the stratified mixture concentration around the spark plug 7 at the ignition timing is reduced by retarding the ignition timing, combustion stability and combustion speed can be ensured.
  • the air-fuel ratio of the homogeneous mixture formed in the entire cylinder by the fuel injected in the intake stroke is made richer than the stoichiometric ratio. Increase the fuel injection amount in the intake stroke. Thereby, the combustion stability and combustion speed when the expansion stroke injection timing and the ignition timing are retarded can be ensured.
  • the injection-ignition interval ⁇ t is the interval from the fuel injection end timing to the ignition timing.
  • the present invention is not limited to this. Since each embodiment is based on the technical idea that ignition is performed before the stratified mixture around the spark plug 7 is diffused, the interval from the fuel injection start timing to the ignition timing may be set as the injection-ignition interval ⁇ t.

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

内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法
　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。

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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