JP2006258027A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒内噴射用インジェクタと吸気通路噴射用インジェクタとを備えたエンジンの始動時における排気浄化触媒を急速に暖機する。
【解決手段】 エンジンＥＣＵは、エンジンが始動され（Ｓ１００にてＹＥＳ）、触媒の急速暖機が必要であると（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、筒内噴射用インジェクタによる燃料分担比率を吸気通路噴射用インジェクタの分担比率と同等以上にして点火時期を大きく遅角する急速触媒暖機処理を実行するステップ（Ｓ１２０）と、触媒が暖機されて活性化すると（Ｓ１３０にてＹＥＳ）、通常運転処理を実行するステップ（Ｓ１４０）とを含む、プログラムを実行する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、筒内に向けて燃料を噴射する第１の燃料噴射手段（筒内噴射用インジェクタ）と吸気通路または吸気ポート内に向けて燃料を噴射する第２の燃料噴射手段（吸気通路噴射用インジェクタ）とを備えた内燃機関の制御装置に関し、特に、排気ガス浄化のための触媒を急速に暖機する場合の、内燃機関の制御装置に関する。

機関吸気通路内に燃料を噴射するための吸気通路噴射用インジェクタと、機関燃焼室内に燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタとを具備し、機関回転数と機関負荷とに基づいて吸気通路噴射用インジェクタと吸気通路噴射用インジェクタとの燃料噴射比率を決定する内燃機関が公知である。

このような内燃機関における、始動開始から排気ガスを浄化する触媒を早期に活性化する直噴火花点火式内燃機関の制御装置が、特開平１１−３２４７６５号公報（特許文献１）に開示されている。この直噴火花点火式内燃機関の制御装置は、機関の燃焼室内に直接燃料を噴射供給する燃料噴射弁と、燃焼室内全体に均質な混合気を形成する燃料供給手段と、燃焼室内の混合気に火花点火する点火栓とを備え、所定の機関運転条件のとき、点火実行時に点火栓周りに偏在する混合気層の空燃比がほぼストイキとなるよう燃料噴射弁の圧縮行程中の燃料噴射量と燃料噴射時期および点火栓の点火時期を制御して成層燃焼を行なう直噴火花点火式内燃機関を制御する。この制御装置は、機関の排気通路に配設された排気浄化触媒を昇温すべき条件を判断する昇温条件判断手段と、排気浄化触媒を昇温すべき条件のとき、燃焼室内全体に形成される混合気の空燃比がストイキよりリーンかつ火炎伝播可能な空燃比となるよう燃料供給手段の燃料噴射量を制御するとともに、点火実行時に点火栓周りに偏在する混合気の空燃比がストイキよりリッチとなるよう燃料噴射弁の圧縮行程中の燃料噴射量と燃料噴射時期および点火栓の点火時期を制御して第２の成層燃焼を行なう制御手段とを備える。

この直噴火花点火式内燃機関の制御装置によると、点火栓周りの混合気層の空燃比をストイキよりリッチな空燃比としているので、主燃焼（火花点火による着火とその後の火炎伝播による燃焼）の際に不完全燃焼物（ＣＯ）が生成され、主燃焼後もこのＣＯが燃焼室内に残存する。また、リッチ混合気層の周囲にストイキよりリーンな混合気を形成しているので、この領域には主燃焼後も酸素が残存する。この残存ＣＯと残存酸素とが主燃焼以降の筒内ガス流動によって混合・再燃焼し、排気温度が上昇する。不完全燃焼物（ＣＯ）は、主燃焼の燃焼過程で生成されるものであるから、主燃焼の終了時点において既に高温状態となっており、燃焼室温度が低い状況下であっても、比較的良好に燃焼させることができる。すなわち、生成したＣＯを燃焼室内と触媒上流の排気通路内でほとんど再燃焼させることが可能となる。なお、主燃焼自体でのＣＯ発生量が少ない均質燃焼時に比べると、触媒へのＣＯの流入量が増加する可能性はあるが、触媒のＣＯ転化開始温度はＨＣ転化開始温度よりも低いので、排気エミッションに対する影響は比較的小さい。また、リーン混合気層の空燃比を火炎伝播可能な空燃比としているので、リッチ混合気層とリーン混合気層との境目で未燃ＨＣが発生することはない。また、燃焼室の隅々まで火炎が良好に伝播されるので、燃焼室内の低温領域（クエンチングエリア）を均質燃焼時と変わりのない小さな領域とすることができる。さらに、リーン混合気が燃焼する領域の過剰な酸素を主燃焼後も残存させる形とするので、主燃焼の終了時点における残存酸素の温度も比較的高温となっており、ＣＯの再燃焼がより速やかに進行する。
特開平１１−３２４７６５号公報

上述した特許文献の第４の実施の形態には以下のような構成が記載されている。燃焼室内全体に均質な混合気を形成する燃料供給手段として、吸気通路に設けた燃料噴射弁（吸気ポート噴射用燃料噴射弁）による排気行程もしくは排気行程ないし吸気行程での燃料噴射により燃焼室全体にストイキよりも比較的リーン（希薄）な均質混合気を形成し、筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁を用いて、圧縮行程で燃焼室内に燃料を噴射供給し、点火栓周りにストイキよりも比較的リッチな（燃料濃度の高い）混合気を層状に形成して、燃焼させる。そして、触媒活性化のための成層ストイキ燃焼においては、具体的には、１燃焼サイクルあたりの吸入空気量で略完全燃焼させることができるトータル燃料量（略ストイキ（理論空燃比）を達成するのに必要な燃料重量）のうち、たとえば略５０％ないし略９０％の燃料重量を、吸気ポート噴射用燃料噴射弁で吸気通路内に（排気行程もしくは排気行程ないし吸気行程で）噴射供給し、これにより吸気行程中に燃焼室内全体にストイキよりも比較的リーン（希薄）な均質混合気を形成するとともに、残りの略５０％ないし略１０％の燃料重量を、筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁で燃焼室内に圧縮行程中に噴射供給し、点火栓周りにストイキよりも比較的リッチな（燃料濃度の高い）混合気を層状に形成して燃焼させることが記載されている。すなわち、触媒暖機時においては、筒内燃料噴射弁と吸気通路燃料噴射弁との燃料分担比率は、少なくとも吸気通路燃料噴射弁の方が大きい。

しかしながら、このような筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁（筒内噴射用インジェクタ）と、吸気通路へ燃料を噴射する燃料噴射弁（吸気通路噴射用インジェクタ）とを備えた内燃機関における、排気触媒の早期暖機を実現するためには、このような分担比率が最適なものではない。すなわち、触媒暖機のために最も重要な要因である点火時期について、このような分担比率では十分な遅角を実現できない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、筒内に燃料を噴射するための第１の燃料噴射手段と吸気通路内に燃料を噴射するための第２の燃料噴射手段とを備えた内燃機関の始動時における排気浄化触媒の急速暖機を良好に実施して、始動時におけるエミッションの悪化を生じさせることがない、内燃機関の制御装置を提供することである。

第１の発明に係る内燃機関の制御装置は、筒内に燃料を噴射するための第１の燃料噴射手段と吸気通路内に燃料を噴射するための第２の燃料噴射手段とを備えた内燃機関を制御する。この制御装置は、内燃機関の排気系には予め定められた温度以上で活性化する排気浄化用の触媒が設けられる。この触媒の暖機要求を検知するための検知手段と、内燃機関に要求される条件に基づいて、第１の燃料噴射手段と第２の燃料噴射手段とで分担して燃料を噴射するように、燃料噴射手段を制御するための制御手段と、点火装置を制御するための点火制御手段とを含む。制御手段は、燃料噴射が第１の燃料噴射手段と第２の燃料噴射手段とで分担されている場合において、暖機要求が検知されたときに、第１の燃料噴射手段の分担の割合を第２の燃料噴射手段の分担の割合と同等以上にするように、第１の燃料噴射手段と第２の燃料噴射手段とを制御するための手段を含む。点火制御手段は、暖機要求が検知されたときに、点火時期を遅角するように点火装置を制御するための手段を含む。

第１の発明によると、第１の燃料噴射手段（たとえば筒内噴射用インジェクタ）の分担の割合を第２の燃料噴射手段（たとえば吸気通路噴射用インジェクタ）の分担の割合と同等またはそれより多くなるようにして（たとえば６５％を筒内噴射用インジェクタで分担）、筒内噴射用インジェクタを用いて圧縮行程で燃料を噴射する。このようにすると、吸気通路噴射用インジェクタによる均質混合気（全体として空燃比がリーンな混合気）と、筒内噴射用インジェクタによる成層混合気（点火プラグ周りの空燃比がリッチな混合気）とを燃焼室内に形成させることができる。このとき、特に、筒内噴射用インジェクタの比率の方が同等か高いので、点火プラグ周りの混合気の空燃比をよりリッチにできる。さらに、その成層混合気の周りは均質な混合気であるので、火炎の伝播が良好な状態にできる。すなわち、燃料噴霧状態において、点火プラグ周りの空燃比がリッチな混合気層と、均質混合気層との境目においても、燃料の拡散によって空燃比が希薄になる領域が部分的に発生しなくなり、このような領域がないので火炎が伝播しやすく、未燃燃料（ＨＣ）が発生しにくい。このような状態においては、点火時期を大きく遅角させることができ、排気温度を容易に上昇させることができる。これは、点火プラグ周りの混合気層の空燃比がストイキよりもリッチな空燃比としているので、主燃焼（点火プラグによる火花点火による着火とその後の火炎伝播による燃焼）の際に不完全燃焼物（ＣＯ）が生成され、主燃焼後もこのＣＯが燃焼室内に残存する。この空燃比がリッチ混合気層の周囲にある、空燃比がリーンな均質混合層には、この主燃焼後も酸素が残存する。この残存ＣＯと残存酸素とが主燃焼以降の筒内ガス流動によって混合して再燃焼することにより、排気温度が上昇すると考えられる。排気温度の上昇により、始動開始から触媒が活性化するまでの間における大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、触媒を急速に暖機して、触媒を早期に活性化することができる。その結果、筒内に燃料を噴射するための第１の燃料噴射手段と吸気通路内に燃料を噴射するための第２の燃料噴射手段とを備えた内燃機関の始動時における排気浄化触媒の急速暖機を良好に実施して、始動時におけるエミッションの悪化を生じさせることがない、内燃機関の制御装置を提供することができる。

第２の発明に係る内燃機関の制御装置においては、第１の発明の構成に加えて、制御手段は、圧縮行程において燃料を噴射するように、第１の燃料噴射手段を制御するための手段を含む。

第２の発明によると、圧縮行程において筒内噴射用インジェクタから噴射された燃料は、点火プラグ周りに空燃比が比較的リッチ（たとえば１５．５程度）な混合気を形成できる。そのため、点火時期を大幅に遅角させることができ、排気温度を上昇させて、触媒を急速に暖機して、触媒を早期に活性化することができる。

第３の発明に係る内燃機関の制御装置は、第１または２の発明の構成に加えて、暖機要求に対応して内燃機関が制御されているときに、内燃機関の出力を低下させないように内燃機関を制御するための出力制御手段をさらに含む。

第３の発明によると、暖機要求に対応して点火時期が遅角させるときには、内燃機関の出力低下（トルクダウン）が発生する。出力制御手段によりこのようなトルクダウンを回避することができる。そのため、点火時期を遅角させることによるトルクダウンを回避することができる。

第４の発明に係る内燃機関の制御装置においては、第３の発明の構成に加えて、出力制御手段は、内燃機関に供給される燃料噴射量を増量することにより、内燃機関の出力を低下させないようにするための手段を含む。

第４の発明によると、暖機要求に対応して点火時期が遅角させるときに発生する内燃機関のトルクダウンを、燃料噴射量を増量することにより、発生させないようにすることができる。

第５の発明に係る内燃機関の制御装置においては、第３の発明の構成に加えて、出力制御手段は、内燃機関に供給される空気量を増量することにより、内燃機関の出力を低下させないようにするための手段を含む。

第５の発明によると、暖機要求に対応して点火時期が遅角させるときに発生する内燃機関のトルクダウンを、供給空気量を増量することにより、発生させないようにすることができる。

第６の発明に係る内燃機関の制御装置は、第１〜５のいずれかの発明の構成に加えて、内燃機関の温度を検知するための検知手段をさらに含む。検知手段は、内燃機関の温度が予め定められた温度よりも低いときに、暖機要求があることを検知するための手段を含む。

第６の発明によると、内燃機関の温度（内燃機関の冷却水温度から推定してもよい）が低いときには、触媒も冷えて活性化していないと判断できるので、暖機要求があることを検知することができる。

第７の発明に係る内燃機関の制御装置は、第１〜６のいずれかの発明の構成に加えて、第１の燃料噴射手段は、筒内噴射用インジェクタであって、第２の燃料噴射手段は、吸気通路用インジェクタである。

第７の発明によると第１の燃料噴射手段である筒内噴射用インジェクタと第２の燃料噴射手段である吸気通路噴射用インジェクタとを別個に設けて噴射燃料を分担する内燃機関において、内燃機関の始動時における排気浄化触媒の急速暖機を良好に実施して始動時におけるエミッションの悪化を生じさせることのない、内燃機関の制御装置を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に、本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置であるエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）で制御されるエンジンシステムの概略構成図を示す。なお、図１には、エンジンとして直列４気筒ガソリンエンジンを示すが、本発明はこのようなエンジンに限定されるものではない。

図１に示すように、エンジン１０は、４つの気筒１１２を備え、各気筒１１２はそれぞれ対応するインテークマニホールド２０を介して共通のサージタンク３０に接続されている。サージタンク３０は、吸気ダクト４０を介してエアクリーナ５０に接続され、吸気ダクト４０内にはエアフローメータ４２が配置されるとともに、電動モータ６０によって駆動されるスロットルバルブ７０が配置されている。このスロットルバルブ７０は、アクセルペダル１００とは独立してエンジンＥＣＵ３００の出力信号に基づいてその開度が制御される。一方、各気筒１１２は共通のエキゾーストマニホールド８０に連結され、このエキゾーストマニホールド８０は三元触媒コンバータ９０に連結されている。

各気筒１１２に対しては、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタ１１０と、吸気ポートまたは／および吸気通路内に向けて燃料を噴射するための吸気通路噴射用インジェクタ１２０とがそれぞれ設けられている。これらインジェクタ１１０、１２０はエンジンＥＣＵ３００の出力信号に基づいてそれぞれ制御される。また、各気筒内噴射用インジェクタ１１０は共通の燃料分配管１３０に接続されており、この燃料分配管１３０は燃料分配管１３０に向けて流通可能な逆止弁１４０を介して、機関駆動式の高圧燃料ポンプ１５０に接続されている。なお、本実施の形態においては、２つのインジェクタが別個に設けられた内燃機関について説明するが、本発明はこのような内燃機関に限定されない。たとえば、筒内噴射機能と吸気通路噴射機能とを併せ持つような１個のインジェクタを有する内燃機関であってもよい。

図１に示すように、高圧燃料ポンプ１５０の吐出側は電磁スピル弁１５２を介して高圧燃料ポンプ１５０の吸入側に連結されており、この電磁スピル弁１５２の開度が小さいときほど、高圧燃料ポンプ１５０から燃料分配管１３０内に供給される燃料量が増大され、電磁スピル弁１５２が全開にされると、高圧燃料ポンプ１５０から燃料分配管１３０への燃料供給が停止されるように構成されている。なお、電磁スピル弁１５２はエンジンＥＣＵ３００の出力信号に基づいて制御される。

一方、各吸気通路噴射用インジェクタ１２０は、共通する低圧側の燃料分配管１６０に接続されており、燃料分配管１６０および高圧燃料ポンプ１５０は共通の燃料圧レギュレータ１７０を介して、電動モータ駆動式の低圧燃料ポンプ１８０に接続されている。さらに、低圧燃料ポンプ１８０は燃料フィルタ１９０を介して燃料タンク２００に接続されている。燃料圧レギュレータ１７０は低圧燃料ポンプ１８０から吐出された燃料の燃料圧が予め定められた設定燃料圧よりも高くなると、低圧燃料ポンプ１８０から吐出された燃料の一部を燃料タンク２００に戻すように構成されており、したがって吸気通路噴射用インジェクタ１２０に供給されている燃料圧および高圧燃料ポンプ１５０に供給されている燃料圧が上記設定燃料圧よりも高くなるのを阻止している。

エンジンＥＣＵ３００は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス３１０を介して相互に接続されたＲＯＭ(Read Only Memory)３２０、ＲＡＭ(Random Access Memory)３３０、ＣＰＵ(Central Processing Unit)３４０、入力ポート３５０および出力ポート３６０を備えている。

エアフローメータ４２は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、このエアフローメータ４２の出力電圧はＡ／Ｄ変換器３７０を介して入力ポート３５０に入力される。エンジン１０には機関冷却水温に比例した出力電圧を発生する水温センサ３８０が取付けられ、この水温センサ３８０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器３９０を介して入力ポート３５０に入力される。

燃料分配管１３０には燃料分配管１３０内の燃料圧に比例した出力電圧を発生する燃料圧センサ４００が取付けられ、この燃料圧センサ４００の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４１０を介して入力ポート３５０に入力される。三元触媒コンバータ９０上流のエキゾーストマニホールド８０には、排気ガス中の酸素濃度に比例した出力電圧を発生する空燃比センサ４２０が取付けられ、この空燃比センサ４２０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４３０を介して入力ポート３５０に入力される。

本実施の形態に係るエンジンシステムにおける空燃比センサ４２０は、エンジン１０で燃焼された混合気の空燃比に比例した出力電圧を発生する全域空燃比センサ（リニア空燃比センサ）である。なお、空燃比センサ４２０としては、エンジン１０で燃焼された混合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかをオン−オフ的に検出するＯ₂センサを用いてもよい。

アクセルペダル１００は、アクセルペダル１００の踏込み量に比例した出力電圧を発生するアクセル開度センサ４４０に接続され、アクセル開度センサ４４０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４５０を介して入力ポート３５０に入力される。また、入力ポート３５０には、機関回転数を表わす出力パルスを発生する回転数センサ４６０が接続されている。エンジンＥＣＵ３００のＲＯＭ３２０には、上述のアクセル開度センサ４４０および回転数センサ４６０により得られる機関負荷率および機関回転数に基づき、運転状態に対応させて設定されている燃料噴射量の値や機関冷却水温に基づく補正値などが予めマップ化されて記憶されている。

なお、三元触媒コンバータ９０は、理論空燃比（Ａ／Ｆ（空気重量／燃料重量）＝１４．７）近傍において排気中のＣＯ、ＨＣの酸化とＮＯｘの還元を行なって排気を浄化することができる三元触媒である。この三元触媒コンバータ９０における触媒（プラチナ、ロジウム、パラジウム等）は、ある程度の温度（高温）にならないと、活性化せず、浄化機能が作用しない。

本実施の形態に係る制御装置においては、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０とを備えたエンジン１０の始動後において、三元触媒コンバータ９０を早期に昇温して触媒を活性化させて、排気浄化をエンジン１０の始動直後できるだけ早く作用させるものである。三元触媒コンバータ９０が活性化したか否かは、三元触媒コンバータ９０の排気下流側に、排気中の特定成分（たとえば、酸素）濃度を検知して、、判断することができる。たとえば、三元触媒コンバータ９０の下流側に設けた酸素センサが活性化しているか否かを判断する。具体的には、三元触媒コンバータ９０が活性化しているか否かを、下流側の酸素センサの検知値号の変化に基づいて判断することになる。これは、三元触媒コンバータ９０の下流側に設けられる酸素センサが活性化したのは、三元触媒コンバータ９０の活性化の出口側排気温度の上昇（酸化反応）によるものであるとして、三元触媒コンバータ９０が活性化したと判断するものである。

また、エンジン冷却水の水温もしくはエンジンオイルの油温等を検知して三元触媒コンバータ９０の温度を推定し、その結果に基づいて三元触媒コンバータ９０の活性化を判断することができる。さらには、直接的に三元触媒コンバータ９０の温度（出口温度）を検知することによっても三元触媒コンバータ９０の活性化を判断することができる。

このエンジン１０は、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０とで燃料を分担して噴射する。エンジンＥＣＵ３００のＲＯＭ３２０に記憶される、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０との噴き分け比率（以下、直噴比率、ＤＩ比率、ＤＩ比率ｒ（または単にｒ）とも記載する。）を表わすマップについて説明する。このようなマップは、たとえば、エンジン回転数を横軸にして、負荷率を縦軸にして、筒内噴射用インジェクタ１１０の分担比率が直噴比率（ＤＩ比率ｒ）として百分率で示されている。

エンジン回転数と負荷率とにより定まる運転領域ごとに、直噴比率（ＤＩ比率ｒ）が設定されている。「直噴１００％」とは、筒内噴射用インジェクタ１１０からのみ燃料噴射が行なわれる領域（ｒ＝１．０、ｒ＝１００％）であることを意味し、「直噴０〜２０％」とは、筒内噴射用インジェクタ１１０からの燃料噴射が、全噴射量の０〜２０％である領域（ｒ＝０〜０．２）であることを意味している。たとえば、「直噴４０％」とは、筒内噴射用インジェクタ１１０から全噴射量の４０％が噴射され、吸気通路噴射用インジェクタ１２０から全噴射量の６０％が噴射されることを示す。なお、このようなマップの詳細については後述する。

図２を参照して、本発明の実施の形態に係る制御装置であるエンジンＥＣＵ３００で実行されるプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、エンジンＥＣＵ３００は、エンジン１０が始動されたか否かを判断する。このとき、他のＥＣＵからエンジンＥＣＵ３００に入力されるエンジン始動要求信号や、エンジンＥＣＵ３００自体により処理された結果に基づいて判断される。エンジン１０が始動されると（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理はＳ１１０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１００にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ３００は、急速触媒暖機が必要であるか否かを判断する。このとき、上述したように、三元触媒コンバータ９０の下流側に設けられた酸素センサの検知値号の変化に基づいて三元触媒コンバータ９０が活性化していないと、急速触媒暖機は必要であると判断される。また、エンジン冷却水の水温もしくはエンジンオイルの油温等から急速触媒暖機が必要であるか否かを判断するようにしてもよい。触媒急速暖機が必要であると（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、処理はＳ１２０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１１０にてＮＯ）、処理はＳ１４０へ移される。

Ｓ１２０にて、エンジンＥＣＵ３００は、急速触媒暖機処理を実行する。このとき、たとえば、図３に示すように、点火時期、筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射時期、燃料噴射量、供給空気量、ＤＩ比率ｒが、エンジンＥＣＵ３００により制御される。なお、この図３におけるＤＩ比率の値は一例であって、５０％以上（筒内噴射用インジェクタ１１０の分担の割合を吸気通路噴射用インジェクタ１２０の分担の割合と同等以上）であればよい。また、燃料量減量については、一例として、排気における空燃比が１５．５程度のリーンな状態にすればよい。このように減量することにより、未燃ＨＣを減少させることにもなる。なお、エンジン１０の始動直後は増量補正（エンジン１０の始動時にトルクが要求されることに対応するための増量補正や壁面付着に対応するための増量補正）されるが、始動時を経過して始動時のトルクが要求されなくなったり、壁面付着燃料が飽和したりするため、燃料量が減量される。このように、筒内噴射用インジェクタ１１０からの圧縮行程における燃料噴射量を減量しても、着火に必要な燃料量だけが点火プラグ付近に存在し、リーン限界が高くなるので失火しない。そして、触媒暖機に寄与する後燃え用の燃料（吸気通路噴射用インジェクタ１２０から供給される分）が（増量補正によって）要求量だけ供給されている。この後燃え燃料があるので、触媒暖機を達成することができる。

Ｓ１３０にて、エンジンＥＣＵ３００は、急速触媒暖機を終了するか否かを判断する。このとき、上述したように、三元触媒コンバータ９０の下流側に設けられた酸素センサの検知値号の変化に基づいて三元触媒コンバータ９０が活性化していると、急速触媒暖機は終了すると判断される。また、エンジン冷却水の水温もしくはエンジンオイルの油温等から急速触媒暖機を終了するか否かを判断するようにしてもよい。さらに、エンジン冷却水の水温が始動時より予め定められた値以上上昇した否かに基づいて、急速触媒暖機を終了するか否かを判断するようにしてもよい。さらに、吸入空気量の積算値に基づいて、エンジン１０が予め定められた時間以上運転していか否かを判断することにより、急速触媒暖機を終了するか否かを判断するようにしてもよい。触媒急速暖機を終了すると判断されると（Ｓ１３０にてＹＥＳ）、処理はＳ１４０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１３０にてＮＯ）、処理はＳ１２０へ戻される。

Ｓ１４０にて、エンジンＥＣＵ３００は、エンジン１０に対して通常の運転処理を実行する。このとき、一時的に急速触媒暖機用に設定されていた、点火時期、筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射時期、燃料噴射量、供給空気量、ＤＩ比率ｒが、エンジンＥＣＵ３００により通常運転用に戻される。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る制御装置であるエンジンＥＣＵ３００により制御されるエンジン１０の動作について説明する。なお、以下の説明においては、急速触媒暖機を必要とする場合のエンジン１０の始動時の動作について説明する。

エンジン１０が始動して（Ｓ１００にてＹＥＳ）、三元触媒コンバータ９０の下流側に設けられた酸素センサの検知値号の変化に基づいて三元触媒コンバータ９０が活性化していないと、急速触媒暖機は必要であると判断される（Ｓ１１０にてＹＥＳ）。このような場合、図３に示すような値になるように、点火時期、筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射時期、燃料噴射量、供給空気量、ＤＩ比率ｒが、エンジンＥＣＵ３００により制御される。

このように制御されたエンジンにおいては、筒内噴射用インジェクタ１１０の分担の割合を吸気通路噴射用インジェクタ１２０の分担の割合と同等またはそれより多い６５％程度になるようにして、筒内噴射用インジェクタ１１０から圧縮行程で燃料を筒内に噴射する。吸気通路噴射用インジェクタ１２０から吸気行程で燃料を吸気管内に噴射する。このとき、吸気通路噴射用インジェクタ１２０による全体として空燃比がリーンで均質状態の混合気と、筒内噴射用インジェクタ１１０による点火プラグ周りの空燃比がリッチな成層状態の混合気とが燃焼室内で形成される。点火プラグでの点火時期を大きく遅角（たとえば、ＡＴＤＣ１５゜）しても、筒内噴射用インジェクタ１１０の比率の方が同等か高いので、点火プラグ周りの混合気の空燃比をよりリッチであり、さらに、その点火プラグ周りの混合気の周りは、吸気通路噴射用インジェクタ１２０により形成された均質な混合気であるので、火炎の伝播を良好にできる。このように火炎が伝播しやすく、未燃燃料（ＨＣ）が発生しにくい。点火時期を大きく遅角させることにより、排気温度は上昇する。さらに、このように点火時期を大きく遅角することによりエンジン１０の出力（トルク）が低下するが、燃料量を減量して未燃ＨＣを減少させたり、吸入空気量を増量してトルクダウンを回避させたりしている。排気温度の上昇により、始動開始から触媒が活性化するまでの間における大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、触媒を急速に暖機して、触媒を急速に活性化できる。

三元触媒コンバータ９０における触媒の温度が上昇して活性化すると、三元触媒コンバータ９０の下流側に設けられた酸素センサの検知値号が変化する。この変化に基づいて三元触媒コンバータ９０が活性化したと判断され（Ｓ１３０にてＹＥＳ）、急速触媒暖機は終了されて、図３に示すような、点火時期、筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射時期、燃料噴射量、供給空気量、ＤＩ比率ｒではなく、後述するＤＩ比率ｒ等を用いて、エンジン１０が制御される。

以上のようにして、本実施の形態に係るエンジンＥＣＵを搭載した車両において、エンジンを始動したときに、排気浄化触媒の急速暖機が必要な場合には、筒内噴射用インジェクタによる燃料噴射分担率が吸気通路噴射用インジェクタの燃料噴射分担率と同等かそれ以上になるように設定される。このようにすると、吸気通路噴射用インジェクタによる全体として空燃比がリーンで均質状態の混合気と、筒内噴射用インジェクタによる点火プラグ周りの空燃比がリッチな成層状態の混合気とを燃焼室内に形成させることができる。このとき、点火プラグ周りの混合気の空燃比をよりリッチにできる。その点火プラグの周りの混合気は均質（弱成層）であるので、火炎が伝播しやすく、未燃燃料（ＨＣ）が発生しにくい。このような状態において、点火時期を大きく遅角させることにより排気温度を上昇させることができ排気浄化触媒を従来技術よりも急速に暖機することができる。

＜この制御装置が適用されるに適したエンジン（その１）＞
以下、本実施の形態に係る制御装置が適用されるに適したエンジン（その１）について説明する。

図４および図５を参照して、エンジン１０の運転状態に対応させた情報である、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０との噴き分け比率（以下、ＤＩ比率ｒまたは単にｒと記載する。）を表わすマップについて説明する。これらのマップは、エンジンＥＣＵ３００のＲＯＭ３２０に記憶される。図４は、エンジン１０の温間用マップであって、図５は、エンジン１０の冷間用マップである。

図４および図５に示すように、これらのマップは、エンジン１０の回転数を横軸にして、負荷率を縦軸にして、筒内噴射用インジェクタ１１０の分担比率がＤＩ比率ｒとして百分率で示されている。

図４および図５に示すように、エンジン１０の回転数と負荷率とに定まる運転領域ごとに、ＤＩ比率ｒが設定されている。「ＤＩ比率ｒ＝１００％」とは、筒内噴射用インジェクタ１１０からのみ燃料噴射が行なわれる領域であることを意味し、「ＤＩ比率ｒ＝０％」とは、吸気通路噴射用インジェクタ１２０からのみ燃料噴射が行なわれる領域であることを意味する。「ＤＩ比率ｒ≠０％」、「ＤＩ比率ｒ≠１００％」および「０％＜ＤＩ比率ｒ＜１００％」とは、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０とで燃料噴射が分担して行なわれる領域であることを意味する。なお、概略的には、筒内噴射用インジェクタ１１０は、出力性能の上昇に寄与し、吸気通路噴射用インジェクタ１２０は、混合気の均一性に寄与する。このような特性の異なる２種類のインジェクタを、エンジン１０の回転数と負荷率とで使い分けることにより、エンジン１０が通常運転状態（たとえば、アイドル時の触媒暖機時が、通常運転状態以外の非通常運転状態の一例であるといえる）である場合には、均質燃焼のみが行なわれるようにしている。

さらに、これらの図４および図５に示すように、温間時のマップと冷間時のマップとに分けて、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０のＤＩ分担率ｒを規定した。エンジン１０の温度が異なると、筒内噴射用インジェクタ１１０および吸気通路噴射用インジェクタ１２０の制御領域が異なるように設定されたマップを用いて、エンジン１０の温度を検知して、エンジン１０の温度が予め定められた温度しきい値以上であると図４の温間時のマップを選択して、そうではないと図５に示す冷間時のマップを選択する。それぞれ選択されたマップに基づいて、エンジン１０の回転数と負荷率とに基づいて、筒内噴射用インジェクタ１１０および／または吸気通路噴射用インジェクタ１２０を制御する。

図４および図５に設定されるエンジン１０の回転数と負荷率について説明する。図４のＮＥ（１）は２５００〜２７００ｒｐｍに設定され、ＫＬ（１）は３０〜５０％、ＫＬ（２）は６０〜９０％に設定されている。また、図５のＮＥ（３）は２９００〜３１００ｒｐｍに設定されている。すなわち、ＮＥ（１）＜ＮＥ（３）である。その他、図４のＮＥ（２）や、図５のＫＬ（３）、ＫＬ（４）も適宜設定されている。

図４および図５を比較すると、図４に示す温間用マップのＮＥ（１）よりも図５に示す冷間用マップのＮＥ（３）の方が高い。これは、エンジン１０の温度が低いほど、吸気通路噴射用インジェクタ１２０の制御領域が高いエンジン回転数の領域まで拡大されるということを示す。すなわち、エンジン１０が冷えている状態であるので、（たとえ、筒内噴射用インジェクタ１１０から燃料を噴射しなくても）筒内噴射用インジェクタ１１０の噴口にデポジットが堆積しにくい。このため、吸気通路噴射用インジェクタ１２０を使って燃料を噴射する領域を拡大するように設定され、均質性を向上させることができる。

図４および図５を比較すると、エンジン１０の回転数が、温間用マップにおいてはＮＥ（１）以上の領域において、冷間用マップにおいてはＮＥ（３）以上の領域において、「ＤＩ比率ｒ＝１００％」である。また、負荷率が、温間用マップにおいてはＫＬ（２）以上の領域において、冷間用マップにおいてはＫＬ（４）以上の領域において、「ＤＩ比率ｒ＝１００％」である。これは、予め定められた高エンジン回転数領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用されること、予め定められた高エンジン負荷領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用されるということを示す。すなわち、高回転領域や高負荷領域においては、筒内噴射用インジェクタ１１０のみで燃料を噴射しても、エンジン１０の回転数や負荷が高く吸気量が多いので筒内噴射用インジェクタ１１０のみでも混合気を均質化しやすいためである。このようにすると、筒内噴射用インジェクタ１１０から噴射された燃料は燃焼室内で気化潜熱を伴い（燃焼室から熱を奪い）気化される。これにより、圧縮端での混合気の温度が下がる。これにより対ノッキング性能が向上する。また、燃焼室の温度が下がるので、吸入効率が向上し高出力が見込める。

図４に示す温間マップでは、負荷率ＫＬ（１）以下では、筒内噴射用インジェクタ１１０のみが用いられる。これは、エンジン１０の温度が高いときであって、予め定められた低負荷領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用されるということを示す。これは、温間時においてはエンジン１０が暖まった状態であるので、筒内噴射用インジェクタ１１０の噴口にデポジットが堆積しやすい。しかしながら、筒内噴射用インジェクタ１１０を使って燃料を噴射することにより噴口温度を低下させることができるので、デポジットの堆積を回避することも考えられ、また、筒内噴射用インジェクタの最小燃料噴射量を確保して、筒内噴射用インジェクタ１１０を閉塞させないことも考えられ、このために、筒内噴射用インジェクタ１１０を用いた領域としている。

図４および図５を比較すると、図５の冷間用マップにのみ「ＤＩ比率ｒ＝０％」の領域が存在する。これは、エンジン１０の温度が低いときであって、予め定められた低負荷領域（ＫＬ（３）以下）では吸気通路噴射用インジェクタ１２０のみが使用されるということを示す。これはエンジン１０が冷えていてエンジン１０の負荷が低く吸気量も低いため燃料が霧化しにくい。このような領域においては筒内噴射用インジェクタ１１０による燃料噴射では良好な燃焼が困難であるため、また、特に低負荷および低回転数の領域では筒内噴射用インジェクタ１１０を用いた高出力を必要としないため、筒内噴射用インジェクタ１１０を用いないで、吸気通路噴射用インジェクタ１２０のみを用いる。

また、通常運転時以外の場合、エンジン１０がアイドル時の触媒暖機時の場合（非通常運転状態であるとき）、成層燃焼を行なうように筒内噴射用インジェクタ１１０が制御される。このような触媒暖機運転中にのみ成層燃焼させることで、触媒暖機を促進させ、排気エミッションの向上を図る。

＜この制御装置が適用されるに適したエンジン（その２）＞
以下、本実施の形態に係る制御装置が適用されるに適したエンジン（その２）について説明する。なお、以下のエンジン（その２）の説明において、エンジン（その１）と同じ説明については、ここでは繰り返さない。

図６および図７を参照して、エンジン１０の運転状態に対応させた情報である、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０との噴き分け比率を表わすマップについて説明する。これらのマップは、エンジンＥＣＵ３００のＲＯＭ３２０に記憶される。図６は、エンジン１０の温間用マップであって、図７は、エンジン１０の冷間用マップである。

図６および図７を比較すると、以下の点で図４および図５と異なる。エンジン１０の回転数が、温間用マップにおいてはＮＥ（１）以上の領域において、冷間用マップにおいてはＮＥ（３）以上の領域において、「ＤＩ比率ｒ＝１００％」である。また、負荷率が、温間用マップにおいては低回転数領域を除くＫＬ（２）以上の領域において、冷間用マップにおいては低回転数領域を除くＫＬ（４）以上の領域において、「ＤＩ比率ｒ＝１００％」である。これは、予め定められた高エンジン回転数領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用されること、予め定められた高エンジン負荷領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用される領域が多いことを示す。しかしながら、低回転数領域の高負荷領域においては、筒内噴射用インジェクタ１１０から噴射された燃料により形成される混合気のミキシングが良好ではなく、燃焼室内の混合気が不均質で燃焼が不安定になる傾向を有する。このため、このような問題が発生しない高回転数領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタの噴射比率を増大させるようにしている。また、このような問題が発生する高負荷領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射比率を減少させるようにしている。これらのＤＩ比率ｒの変化を図６および図７に十字の矢印で示す。このようにすると、燃焼が不安定であることに起因するエンジンの出力トルクの変動を抑制することができる。なお、これらのことは、予め定められた低回転数領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射比率を減少させることや、予め定められた低負荷領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射比率を増大させることと、略等価であることを確認的に記載する。また、このような領域（図６および図７で十字の矢印が記載された領域）以外の領域であって筒内噴射用インジェクタ１１０のみで燃料を噴射している領域（高回転側、低負荷側）においては、筒内噴射用インジェクタ１１０のみでも混合気を均質化しやすい。このようにすると、筒内噴射用インジェクタ１１０から噴射された燃料は燃焼室内で気化潜熱を伴い（燃焼室から熱を奪い）気化される。これにより、圧縮端での混合気の温度が下がる。これにより対ノッキング性能が向上する。また、燃焼室の温度が下がるので、吸入効率が向上し高出力が見込める。

なお、図４〜図７を用いて説明したこのエンジン１０においては、均質燃焼は筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを吸気行程とすることにより、成層燃焼は筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを圧縮行程とすることにより実現できる。すなわち、筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを圧縮行程とすることで、点火プラグ周りにリッチ混合気が偏在させることにより燃焼室全体としてはリーンな混合気に着火する成層燃焼を実現することができる。また、筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを吸気行程としても点火プラグ周りにリッチ混合気を偏在させることができれば、吸気行程噴射であっても成層燃焼を実現できる。

また、ここでいう成層燃焼には、成層燃焼と以下に示す弱成層燃焼の双方を含むものである。弱成層燃焼とは、吸気通路噴射用インジェクタ１２０を吸気行程で燃料噴射して燃焼室全体にリーンで均質な混合気を生成して、さらに筒内噴射用インジェクタ１１０を圧縮行程で燃料噴射して点火プラグ周りにリッチな混合気を生成して、燃焼状態の向上を図るものである。このような弱成層燃焼は触媒暖機時に好ましい。これは、以下の理由による。すなわち、触媒暖機時には高温の燃焼ガスを触媒に到達させるために点火時期を大幅に遅角させ、かつ良好な燃焼状態（アイドル状態）を維持する必要がある。また、ある程度の燃料量を供給する必要がある。これを成層燃焼で行なおうとしても燃料量が少ないという問題があり、これを均質燃焼で行なおうとしても良好な燃焼を維持するために遅角量が成層燃焼に比べて小さいという問題がある。このような観点から、上述した弱成層燃焼を触媒暖機時に用いることが好ましいが、成層燃焼および弱成層燃焼のいずれであっても構わない。

また、図４〜図７を用いて説明したエンジンにおいては、筒内噴射用インジェクタ１１０による燃料噴射のタイミングは、以下のような理由により、圧縮行程で行なうことが好ましい。ただし、上述したエンジン１０は、基本的な大部分の領域には（触媒暖機時にのみに行なわれる、吸気通路噴射用インジェクタ１２０を吸気行程噴射させ、筒内噴射用インジェクタ１１０を圧縮行程噴射させる弱成層燃焼領域以外を基本的な領域という）、筒内噴射用インジェクタ１１０による燃料噴射のタイミングは、吸気行程である。しかしながら、以下に示す理由があるので、燃焼安定化を目的として一時的に筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを圧縮行程噴射とするようにしてもよい。

筒内噴射用インジェクタ１１０からの燃料噴射時期を圧縮工程中とすることで、筒内温度がより高い時期において、燃料噴射により混合気が冷却される。冷却効果が高まるので、対ノック性を改善することができる。さらに、筒内噴射用インジェクタ１１０からの燃料噴射時期を圧縮工程中とすると、燃料噴射から点火時期までの時間が短いことから噴霧による気流の強化を実現でき、燃焼速度を上昇させることができる。これらの対ノック性の向上と燃焼速度の上昇とから、燃焼変動を回避して、燃焼安定性を向上させることができる。

さらに、エンジン１０の温度によらず（すなわち、温間時および冷間時のいずれの場合であっても）、オフアイドル時（アイドルスイッチがオフの場合、アクセルペダルが踏まれている場合）には、図４または図６に示す温間マップを用いるようにしてもよい（冷間温間を問わず、低負荷領域において筒内噴射用インジェクタ１１０を用いる）。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る制御装置で制御されるエンジンシステムの概略構成図である。 本発明の実施の形態に係る制御装置であるエンジンＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における急速触媒暖機処理の条件を示す図である。 本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの温間時のＤＩ比率マップを表わす図（その１）である。 本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの冷間時のＤＩ比率マップを表わす図（その１）である。 本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの温間時のＤＩ比率マップを表わす図（その２）である。 本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの冷間時のＤＩ比率マップを表わす図（その２）である。

符号の説明

１０ エンジン、２０ インテークマニホールド、３０ サージタンク、４０ 吸気ダクト、４２ エアフローメータ、５０ エアクリーナ、６０ 電動モータ、７０ スロットルバルブ、８０ エキゾーストマニホールド、９０ 三元触媒コンバータ、１００ アクセルペダル、１１０ 筒内噴射用インジェクタ、１１２ 気筒、１２０ 吸気通路噴射用インジェクタ、１３０ 燃料分配管、１４０ 逆止弁、１５０ 高圧燃料ポンプ、１５２ 電磁スピル弁、１６０ 燃料分配管（低圧側）、１７０ 燃料圧レギュレータ、１８０ 低圧燃料ポンプ、１９０ 燃料フィルタ、２００ 燃料タンク、３００ エンジンＥＣＵ、３１０ 双方向性バス、３２０ ＲＯＭ、３３０ ＲＡＭ、３４０ ＣＰＵ、３５０ 入力ポート、３６０ 出力ポート、３７０，３９０，４１０，４３０，４５０ Ａ／Ｄ変換器、３８０ 水温センサ、４００ 燃料圧センサ、４２０ 空燃比センサ、４４０ アクセル開度センサ、４６０ 回転数センサ。

Claims (7)

1. 筒内に燃料を噴射するための第１の燃料噴射手段と吸気通路内に燃料を噴射するための第２の燃料噴射手段とを備えた内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関の排気系には予め定められた温度以上で活性化する排気浄化用の触媒が設けられ、
   前記触媒の暖機要求を検知するための検知手段と、
   前記内燃機関に要求される条件に基づいて、前記第１の燃料噴射手段と前記第２の燃料噴射手段とで分担して燃料を噴射するように、燃料噴射手段を制御するための制御手段と、
   点火装置を制御するための点火制御手段とを含み、
   前記制御手段は、燃料噴射が前記第１の燃料噴射手段と前記第２の燃料噴射手段とで分担されている場合において、前記暖機要求が検知されたときに、前記第１の燃料噴射手段の分担の割合を前記第２の燃料噴射手段の分担の割合と同等以上にするように、前記第１の燃料噴射手段と前記第２の燃料噴射手段とを制御するための手段を含み、
   前記点火制御手段は、前記暖機要求が検知されたときに、点火時期を遅角するように前記点火装置を制御するための手段を含む、内燃機関の制御装置。
2. 前記制御手段は、圧縮行程において燃料を噴射するように、前記第１の燃料噴射手段を制御するための手段を含む、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記制御装置は、前記暖機要求に対応して前記内燃機関が制御されているときに、前記内燃機関の出力を低下させないように前記内燃機関を制御するための出力制御手段をさらに含む、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記出力制御手段は、前記内燃機関に供給される燃料噴射量を増量することにより、前記内燃機関の出力を低下させないようにするための手段を含む、請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記出力制御手段は、前記内燃機関に供給される空気量を増量することにより、前記内燃機関の出力を低下させないようにするための手段を含む、請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記制御装置は、前記内燃機関の温度を検知するための検知手段をさらに含み、
   前記検知手段は、前記内燃機関の温度が予め定められた温度よりも低いときに、前記暖機要求があることを検知するための手段を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記第１の燃料噴射手段は、筒内噴射用インジェクタであって、
   前記第２の燃料噴射手段は、吸気通路用インジェクタである、請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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