JP3799898B2 - 筒内噴射式エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式エンジンの制御装置に係り、特に圧縮行程で燃料噴射と点火を行う筒内噴射式エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内燃料噴射式エンジンの燃料噴射および点火の制御方法として、例えば特開平１１−３０１７７号公報には、成層燃焼時にトルク操作等のための点火時期操作を行ったときの燃焼の悪化を防止するために、点火時期補正量に対応させて圧縮行程における燃料の噴射時期を補正するようにすることを提案している。
【０００３】
しかし、このエンジン制御装置は、点火時期の補正に対する燃料噴射時期の補正方法に対して具体的な補正方法（手段）を提案していない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、圧縮行程で燃料噴射および点火を行う筒内噴射式エンジンにおける点火時期変化に対して良好な燃焼状態を維持するための好ましい燃料噴射時期制御を実現することができる具体的な制御手段を提案することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンの筒内に圧縮行程で燃料噴射を行う手段と、圧縮行程で点火を行う手段と、エンジンの回転速度と負荷の条件により燃料噴射時期と点火時期の角基本値を決定する手段と、点火時期の基本値に対してエンジンの回転速度と負荷の条件以外の条件により補正を加える手段と、燃料噴射時期の基本値に対して補正を加える手段を備えた筒内噴射式エンジンの制御装置において、前記点火時期の基本値に対してエンジンの回転速度と負荷の条件以外の条件により補正を加える手段は、エンジンの排気ガスの温度を高くするために点火時期の基本値に対して加える遅角の補正値を算出する手段を備え、前記燃料噴射時期の基本値に対して補正を加える手段は、前記点火時期の基本値に対して前記排気ガスの温度を高くするために点火時期の基本値に対して遅角の補正が加えられるときには該点火時期の基本値に対する補正の値とそのときのエンジンの回転速度に応じて前記燃料噴射時期の基本値に対して前記排気ガスの温度を高くするための遅角分に相関する補正値を算出して加えるようにすることにより、排気ガスの温度を高くするための点火時期変化に対して良好な燃焼状態を維持するための好ましい燃料噴射時期制御を実現するものである。
【０００７】
また、燃料噴射時期の補正値は、点火時期の補正値とエンジン回転速度と燃料供給圧力に基づいた求めるようにる。
【０００８】
また、点火時期を変化させる手段は、変化させる量に許容限界値を持つようにする。
【０００９】
また、燃料噴射時期を補正する手段は、補正する量に許容限界値を持つようにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の筒内噴射式エンジンの制御装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、この実施の形態における筒内噴射式エンジンシステムの全体構成を示す模式図である。
【００１２】
エンジン１に吸入する空気量の制御は、エンジンコントロールユニット２がアクセルペダルセンサ３からのアクセルペダル操作量信号に基づいて電子制御式スロットル弁装置（ＥＴＣ）４を制御することにより行う。エンジン１に吸入される空気は、エアクリーナ５の入口部６から取り入れられ、吸気流量を計測する手段であるエアフローメータ７を通ってコレクタ８に入る。そして、コレクタ８に吸入された空気は、エンジン１の各シリンダ９に接続された各吸気管１０に分配されて各シリンダ９内の燃焼室９ａ内（筒内）に吸入される。
【００１３】
一方、ガソリンなどの燃料は、燃料タンク１１から燃料ポンプ１２により吸引して加圧し、インジェクタ１３が配管されている燃料系に供給する。加圧した燃料は、燃圧レギュレータ１４により一定の燃料圧力（例えば５ＭＰａ）に調圧し、それぞれのシリンダ９に設けた前記インジェクタ１３からシリンダ９内に噴射する。シリンダ９内に噴射した燃料は、点火コイル１５で高電圧化した点火電圧により点火プラグ１６に火花を発生させて点火する。
【００１４】
コントロールユニット２は、前記アクセルペダル操作量センサ３からのアクセルペダル踏量信号と、前記エアフローメータ７からの吸気流量を示す信号と、クランク角センサ１８からのクランク軸１９の角度信号ＰＯＳと、排気管２０中の触媒式排気浄化装置２１の前に設けたＡ／Ｆセンサ２２からの排気ガスの空燃比検出信号と、エンジン冷却水温センサ２３からの水温検出信号を入力する。
【００１５】
エアフローメータ７で検出した吸気流量信号は、フィルタ処理手段等の処理を施して吸入空気量に換算演算した後に、この吸入空気量をエンジン回転数（回転速度）で割って、空燃比がストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．７ 論理空燃比）となるような係数ｋを乗じて１シリンダ当たりの基本燃料噴射パルス幅、即ち、基本燃料噴射量を求める。その後、この基本燃料噴射量をもとにしてエンジンの運転状態に応じた様々な燃料量補正を施して燃料噴射量を求めた後にインジェクタ１３を駆動して各シリンダ９内に燃料を供給する。
【００１６】
また、コントロールユニット２は、排気管２０に設置したＡ／Ｆセンサ２２から出力される空燃比検出信号から排気ガスの実際の空燃比を検出し、所望の空燃比を得たいときには、このＡ／Ｆセンサ２２の検出信号により供給燃料量を調整する閉ループ制御を行うことで所望の空燃比状態を得ることができるようにしている。
【００１７】
更に、コントロールユニット２は、排気再循環（ＥＧＲ）路２４に設置した排気再循環制御弁２５を制御して排気再循環制御を実行する。
【００１８】
次に、コントロールユニット２と、それに接続した各センサと各アクチュエータについて、図２を参照して説明する。
【００１９】
各センサからの電気的信号は、コントロールユニット２の中にある演算手段１００に入力する。この演算手段１００は、これらの各信号によりエンジンおよびその周辺の状態を認識し、認識した状態に応じて適宜な演算処理を行って、アクチュエータを駆動する指令信号を出力する。
【００２０】
図２には、代表的な例として、インジェクタ１３と点火コイル１５に対する指令信号および駆動信号を示している。インジェクタ１３および点火コイル１５に対する指令信号は、何れも、ハイレベルとローレベルに変化する電気的信号であり、各々駆動回路２０１，２０２によってアクチュエータの駆動に十分な電気的エネルギを持つ駆動信号に増幅してインジェクタ１３および点火コイル１５に供給する。
【００２１】
インジェクタ１３は、指令信号のハイレベル期間に内部のコイルに通電して燃料通路開閉部を開放することにより燃料を噴射する。単位時間当りの燃料噴射流量は、インジェクタ１３の燃料通路開閉部の上流側の燃圧によって決まるので、燃料噴射量の制御は、このインジェクタ１３の開弁時間を制御することにより行う。
【００２２】
点火コイル１５は、指令信号のハイレベル期間に内部の１次側コイルに通電し、ハイレベル期間終了時に１次側コイルの通電を止めることで２次側コイルに高い誘導電圧を発生させて点火プラグに放電を発生させることによりシリンダ内の混合気に点火する。
【００２３】
ここで、シリンダ９内への燃料供給は、燃料をインジェクタ１３からシリンダ９内に直に噴射することにより行うので、燃焼に供する燃料の噴射時期は、吸気行程か圧縮行程の間に限られる。吸気行程で燃料噴射を行う場合のタイミングの一例を図３に示し、圧縮行程で燃料噴射を行う場合のタイミングの一例を図４に示す。何れの場合も、点火時期は、圧縮行程後半の混合気が圧縮されて点火し易い状況にあるときである。吸気行程または圧縮行程での燃料噴射による燃焼の挙動は後述するが、違いがあり、それぞれに得失があるために、エンジンの運転状況によって両者を使い分けるのが該エンジンの運転において効率的である。
【００２４】
この吸気行程燃料噴射と圧縮行程燃料噴射の使い分けの制御の一例を図５を参照して説明する。この使い分けの制御は、コントロールユニット２の演算手段１００における演算処理によって実行する。ブロック２１１では、エンジンの回転数（回転速度）と、アクセルペダル操作量とエンジン回転速度に応じて求めたエンジンが出力すべきトルクと、エンジンの冷却水温などのエンジンの運転条件から、成層燃焼を行うか、均質燃焼を行うかを判定する。成層燃焼と均質燃焼は、後述するが、燃焼室内部の混合気の分散度を意味し、これは燃料の噴射時期で操作することができる。成層燃焼にするか均質燃焼にするかの判定は、図示した信号以外にも、両者を使い分けるために適切な情報を適宜入力することにより、一層きめの細かい判定を行うことが可能となる。
【００２５】
成層燃焼にするか均質燃焼にするかの判定結果は、それぞれブロック２１２，ブロック２１３に引き渡す。ブロック２１２では、成層燃焼または均質燃焼を行うのに適する燃料噴射時期を演算し、ブロック２１３では、成層燃焼または均質燃焼を行うのに適する点火時期を演算する。
【００２６】
このようなエンジンにおいて、圧縮行程中に燃料噴射を行って燃焼させる成層燃焼の挙動を、図６を用いて説明する。図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、圧縮行程中の燃焼室９ａ内の様子を時系列に示したものである。（Ａ）は、インジェクタ１３からシリンダ９内へ燃料ｘｘの噴射を完了したところである。（Ｂ）に至ると、ピストンが（Ａ）時点より上昇しており、燃料ｘｘはピストンの冠面に至る。ピストンには、燃料の拡散を防止し、かつ上部へ搬送するような凹部が設けられている。従って、（Ｃ）に至ると、燃料ｘｘは空気と適度に混合した形で点火プラグ１６の近傍に集積することになる。この時点で点火を行うと、点火プラグ１６の近傍の適度な空燃比の混合気に確実に点火することができ、良好な燃焼が得られる。
【００２７】
このとき、点火プラグ１６の近傍以外の燃焼室９ａ内は、燃料ｘｘが存在しないために、燃焼室全体では、空燃比は大幅にリーン状態であり、かかる燃焼では、エンジンのポンピングロスを低減することができるために、均質な状態の混合気を燃焼させる均質燃焼のときよりも良好な燃費を得ることができる。
【００２８】
一方、図示説明は省略するが、吸気行程で燃料噴射を行う均質燃焼においては、ピストンの下降に伴って空気が吸気弁から吸入され、この吸気行程で噴射された燃料は、吸入空気に乗って燃焼室内に均質に分散する。しかる後に圧縮行程に移行して、混合気は空気と燃料が均質に混合した形で圧縮されて点火される。この場合の空燃比は、前述の圧縮行程での燃料噴射の場合に比べてリッチ状態とすることで良好な燃焼を得ることができる。
【００２９】
以上に説明したように、圧縮行程で燃料を噴射して燃焼させることで、燃焼室内の混合気を成層化することができ、その結果、良好な燃費を得ることができるが、この成層燃焼を成立させるためには、燃料噴射のタイミングと点火時期が相互に密接な関係で制御される必要があることが判る。
【００３０】
図７は、圧縮行程噴射でエンジンを運転するときの燃料噴射開始時期と点火時期によるエンジン性能の一例を示す特性図である。図中の閉曲線ｗｗは、燃焼が安定している範囲を示したもので、閉曲線ｗｗの内側では燃焼が安定し、外側では燃焼が不安定であることを意味する。破線で示す直線ｙｙは、安定した燃焼が得られる範囲の略中心を示したもので、燃料噴射開始時期と点火時期が所定の関係で共に進角または遅角する条件において良好な燃焼が得られることを示している。この特性によれば、点火に先立って、点火時期に点火プラグの近傍に燃料が到達するタイミングで燃料噴射を開始するようにすれば良好な燃焼が得られ、点火時期を進角させたときにはそれに伴って噴射開始時期も進角させ、点火時期を遅角させたときにはそれに伴って噴射開始時期も遅角させれば良いことが判る。
【００３１】
一方、各曲線ｚｚは、それぞれの点火時期および噴射開始時期での排気温度等高線を示しており、点火時期が進角側のときに低い排気温度、遅角側のときに高い排気温度となっている。燃焼が不安定な範囲では、燃焼による熱発生自体が少ないので、低い排気温度となっている。一般に、点火時期が遅角するとＴＤＣ（ピストンの上死点）付近の高圧縮比下での燃焼が完全に終了せずに排気行程までも燃焼が持続するために排気温度が高くなる。この現象は、圧縮行程噴射（成層燃焼）時に限らず、均質な混合気による燃焼（均質燃焼）時でも同様である。
【００３２】
以上のことから、図７の直線ｙｙ上の条件での排気温度の分布の一例を図８に示す。点火時期および燃料噴射時期の条件が共に進角側から遅角側に移行するにつれて、先ず、良好な燃焼が得られる条件で排気温度が高くなり、以後、遅角するにつれ単調に排気温度が上昇し、良好な燃焼が得られなくなる条件になると排気温度が低下する関係となる。
【００３３】
また、一方、排気浄化装置２１の触媒は、エンジン停止中は周囲の環境の温度と同等の温度であり、エンジン始動後に排気ガスの熱により加熱されて昇温する。また、触媒は、排気ガス中の還元剤および酸化剤をそれぞれ酸化および還元して排出する機能を持つが、酸化および還元の能力は、例えば、図９に示すように、触媒の温度が所定値以上のときに高い値を示す。従って、エンジン始動直後の触媒の温度が低いときには、排気ガスの温度を高くすることによって該触媒の昇温を早めることにより該触媒を早期に活性化することができるようになる。
【００３４】
排気ガスの温度を高める１つの方法は、圧縮行程で燃料噴射を行う成層燃焼時においては、図７を参照して説明したように、排気温度が高くなるように点火時期および燃料噴射時期を遅角側で運転することにより実現することができる。
【００３５】
図１０は、成層燃焼運転において、エンジン始動後の触媒温度，ＨＣ排出濃度，エンジン冷却水温の推移の一例を示した特性図である。点火時期の遅角運転を行うことにより、触媒の温度が早期に上昇し、その結果、還元剤であるＨＣの排出濃度が早期に低い値になることが判る。
【００３６】
このような燃焼を実現させるために必要な点火時期と燃料噴射時期の制御は、図７を参照して説明した直線ｙｙの線上の点火時期と燃料噴射時期を選択することにより実現することができる。すなわち、触媒の温度を昇温させるときのように点火時期の遅角要求がある場合は、点火時期を遅角させると共に直線ｙｙの関係から得ることができる燃料噴射時期を与えることで、燃焼が安定している運転条件を外れることなく点火時期の遅角を実現することができ、従って、燃焼状態を悪化させることなく触媒を昇温することができる。また、触媒温度が目標に到達したときは、もはや点火時期を遅角させる必要はなくなるために、点火時期を進角側へ移動させるのが良い。かかる場合も、同様に、直線ｙｙの関係から得ることができる燃料噴射時期を与えることで、燃焼が安定している運転条件を外れることなく点火時期の進角を実現することができる。
【００３７】
以上に説明した制御の一実施の形態を図１１に示す。この制御もコントロールユニット２の演算手段１００における演算処理により実行する。ブロック１２１，１２２は、それぞれ、エンジン回転数，トルク，冷却水温という同じパラメータをもとにしてこれらの３軸からなるマップを検索する。ここで、マップ内に格納するパラメータが、ブロック１２１では点火時期、ブロック１２２では燃料の噴射時期である。マップに格納してあるパラメータの数値は、予め３軸の各格子点で点火時期と噴射時期を図７に示した関係のように整合するよう設定しておく。ブロック１２１，１２２で参照するパラメータは同じであるから、それらの条件の如何に拘らず、点火時期と燃料噴射時期は１組の整合した値が検索されることとなる。更に、マップに格納してある数値は、冷却水温が低いときは点火時期および噴射時期を共に遅角側の数値を、冷却水温が高いときには進角側の数値を設定しておく。このようにすることにより、冷却水温が低いとき（エンジン始動直後で触媒の温度も低く該触媒を昇温したいとき）には排気温度を高くすることができる点火時期と噴射時期を選択し、冷却水温が高くなったとき（触媒も昇温の必要がなくなったとき）には排気温度が高くならない点火時期および燃料噴射時期を設定することができる。
【００３８】
点火時期の遅角要求がない場合は、ブロック１２１，１２２は、共に、冷却水温を入力する必要はなく、エンジン回転数とトルクから点火時期および燃料噴射時期を求めることにより良好な燃焼を得ることができるが、冷却水温を点火時期および燃料噴射時期の決定因子に加えることで、前述したように排気温度制御が可能となる。
【００３９】
ここで、燃料を噴射してから点火するまでの時間について、より詳細に説明する。図６の（Ｂ）に示す位置に燃料ｘｘが到達するために必要な時間は、噴射した燃料の速度により決定される。燃料の噴射速度が一定であるとすると、（Ｂ）において、燃料ｘｘが図示の位置に到達するのに必要な時間は一定である。燃料の噴射時期は、クランク角度に基づいて制御するのが点火時期との整合のために好都合であるので、クランク角度で整理すると、図１２に示すように、エンジン回転数が高くなるにつれ大きなクランク角度を必要とする。
【００４０】
一方、図６の（Ｂ）から（Ｃ）の状態に移行するのに必要なクランク角度は、燃料ｘｘをピストンにより跳ね上げるのに必要な時間であるから、図１３に示すように、エンジン回転数に多少の感度を持ち（影響され）、エンジン回転数が低いときには大きなクランク角度を必要とする。
【００４１】
すなわち、ある点火時期に先立って燃料噴射を行うについては、主にエンジン回転数により定まるクランク角度だけ先立って燃料噴射を開始することで良好な燃焼を得ることができる。
【００４２】
以上のことから、点火時期に応じた燃料噴射時期を与える制御方法の一実施の形態を、図１４を参照して説明する。この制御もコントロールユニット２の演算手段１００における演算処理により実行する。前提として、点火時期は、点火時期遅角の要求がない前提で制御部分（図示省略）により演算されているものを示す。先ず、ブロック１３１で、点火時期遅角要求がない前提での燃料噴射時期を基本値として求める。一方、ブロック１３２では、点火時期のリタード量、すなわち、遅角の要求量を例えば触媒の温度上昇要求などから求める。ここで、図１２および図１３を参照して説明したように、点火時期を遅角要求に伴って遅角したときには、エンジン回転数に応じて点火時期遅角量と相関して燃料噴射時期を遅角すれば良いので、ブロック１３３でエンジン回転数に応じて求められる係数を検索し、検索した係数を点火時期の遅角量に掛けることにより、燃料噴射時期の移動量を求める。この移動量は、ブロック１３１で求めた燃料噴射時期基本値に加算して噴射時期として出力する。ブロック１３３で求める係数は、図７に示した直線ｙｙの傾きであり、その値は、図１２および図１３の関係から求めることができる。
【００４３】
図１４のブロック１３２において求めるリタード要求量算出方法の一例を図１５を参照して説明する。ブロック１４１で、成層燃焼の運転条件によって定まるリタード量の基本値を求める。この基本値は、図７を参照して説明した燃焼が安定な範囲ｗｗの広さといった、燃焼の性能によって定められるリタードが可能な値であり、エンジン回転数とトルクによって定まる運転条件から求める。
【００４４】
一方、エンジン冷却水温および始動時のエンジン冷却水温から触媒の昇温要求を決めることができるので、それぞれ、ブロック１４２，１４３からリタード基本値に対してどれほどのリタード量を与えるかの係数を求める。そして、それぞれ求めた係数を、リタード基本値に掛けることにより、エンジンの暖機過程における所望のリタード量を得る。
【００４５】
このような制御を行うことにより、図１１を参照して説明した例よりも点火時期リタード量をきめこまかく制御することが可能となる。また、燃焼を成立させるために、燃焼室内にスワールを生成させる機構を採用している場合には、図１６に示すように、スワール生成機構が正常に作動しているときは、図中の特性ａａで示すように良好な燃焼安定性を示す。ところが、スワール生成機構が故障している場合は、図中の特性ｂｂで示すように燃焼安定性が悪化する。このような状態のときには、図１４を参照して説明した実施の形態では、スワール生成機構の故障を検出した場合は、リタード要求量を０とすることで、燃焼が成立しないようなリタード制御を施すことがなくなり、また、燃料噴射時期も点火時期に整合した値とすることができる。
【００４６】
また、図８に示した特性から判るように、点火時期を過度に遅角させると良好な燃焼が得られなくなり、従って、エンジンの出力が不安定となるばかりか、排気温度も低くなり点火時期遅角の目的を果たさなくなる。一方、図１５を参照して説明したリタード要求量算出処理で、リタード量基本値より大きいリタード量が演算された場合には、前述したような現象が生じる。これを避けるために、図１７に示すように、図１５に示す算出処理に対してリミッタ処理１５１を追加すると有効である。すなわち、演算したリタード量がリタード量基本値を超えないような制限処理を行うリミッタ処理ブロック１５１を追加すれば、前述したような過度の遅角による現象は生じなくなる。この処理もコントロールユニット２の演算手段１００により実行する。
【００４７】
図１７に示す実施の形態と同様な制限機能を持つ別の実施の形態を図１８に示す。この実施の形態は、基本リタード量に掛ける係数を１．０に制限する制限処理を行うブロック１６１を付加したものである。この処理も演算手段１００により実行する。
【００４８】
また、インジェクタ１３への燃料の供給圧力を所定値に保つレギュレータ１４が、燃料圧力を調整（可変）することができる機能を持つ場合がる。インジェクタ１３から噴射する燃料の粒径は、燃料圧力の高低によって変化する。図１９は、燃料圧力とインジェクタ１３から噴射する燃料の粒径と燃焼安定性の関係の一例を示している。燃料圧力が高いと、インジェクタ１３から噴射する燃料の粒径は小さくなり、燃焼安定性が良くなる。しかしながら、高い燃料圧力を得るには大きいエネルギを必要とするために、燃料圧力を運転条件に応じて調整するようにすることにより、燃料圧力を高めるためのエネルギ消費量と燃焼安定性をバランス良く両立させることができる。
【００４９】
燃料噴射時期の演算は、図１４を参照して説明した例では係数により演算して行っているために、同様の理由で、リミッタを設けるのが望ましい。その一例を図２０を参照して説明する。この例は、図１４を参照して説明した例に対して、ブロック１７１，１７２を追加している。このブロック１７１，１７２もコントロールユニット２の演算手段１００における演算処理により実行する。ブロック１７１では、エンジン回転数とトルクから求める燃料噴射時期の制限値を演算し、ブロック１７２で、最終的に、燃料噴射時期に対して制限を加えている。これにより、安定した燃焼が成立しなくなるような燃料噴射時期での燃料噴射を防止することができるようになる。
【００５０】
ここで、燃料圧力と噴射（噴霧）の速度および図６の(Ａ)から（Ｂ）までの所要時間の関係を図２１を参照して説明する。燃料圧力が高いと噴射の速度は早くなり、従って、所要時間は短くなる。この現象は、図１２を参照して説明した関係が、燃料圧力により異なるということを意味する。従って、燃料圧力を調整する手段を備えた装置では、図２２に示す制御方法により燃料噴射時期を演算するようにすると良い。
【００５１】
図２２に示した燃料噴射時期制御方法は、図１４を参照して説明した制御方法に対して、燃料圧力による係数の演算と、算出した係数を掛けることによる燃料噴射時期演算への反映を、ブロック１８１の追加により変化させるようにしたものである。これにより、燃料圧力が調整されることにより燃料噴射速度が変化する場合でも、点火時期の変化に応じた適正な燃料噴射時期を演算することができるようになる。ブロック１８１における演算処理もコントロールユニット２の演算手段１００により実行する。
【００５２】
また、圧縮行程における燃料噴射による成層燃焼では、ポンピングロスが低下することにより排気ガスへの熱流出が少なく、また、リーンな空燃比とすることで排気ガスの量は多くなるが燃焼発熱量は減少するために、排気温度は、リッチな空燃比で燃焼を行う場合よりも低くなる。
【００５３】
図２３は、エンジン回転数とトルクの各条件における排気ガス温度の分布の一例を示している。低いエンジン回転数およびトルクの条件では、排気ガスの温度は低い。従って、アイドル状態などのように低いエンジン回転数およびトルクの条件で成層燃焼を持続させると、エンジン冷却水温は高いにも拘らずに触媒の温度が低下する。
【００５４】
従って、このような場合には、点火時期を遅角させて触媒の温度を該触媒が活性状態を維持するように維持させるのが良い。しかし、図１８を参照して説明したように、エンジン冷却水温によりリタード量を求める制御では、このような状態のときにはエンジン冷却水温が低くならないために点火時期に遅角を与えることができない。
【００５５】
そこで、例えば図２４に示すように、触媒の温度が低下したときには点火時期を遅角させるリタード要求量演算方法を適用することで、触媒の温度を良好な活性状態に維持することができる。
【００５６】
図２４において、ブロック１４１〜１４３およびブロック１６１は、図１８を参照して説明した例と同等の機能手段である。そして、ブロック１９１は、エンジンの運転条件から排気温度を求める。ブロック１９２は、排気温度と運転状態の経過時間などから触媒の温度を推定する。ブロック１９３は、推定した触媒温度から遅角する割合を検索して求め、求めた係数をリタード量基本値に掛ける係数に加えるようにしている。これらの各ブロック１９１〜１９３における演算処理もコントロールユニット２の演算手段１００において実行する。
【００５７】
この例では、排気ガスおよび触媒の温度を推定するようにしたが温度センサで直接的に計測する方法によってこれらの温度情報を直に取得することも可能である。
【００５８】
また、触媒の温度制御を行うための点火時期遅角制御を行う例を説明したが、他の点火時期遅角要求、例えばエンジンの騒音低下、出力トルク制御、ノッキングの回避制御など、様々な点火時期遅角の要求に対しても本発明を適用することができる。
【００５９】
更に、以上の説明では、点火時期を遅角させる場合を説明したが、点火時期を進角させる要求に対しても、図７における直線ｙｙ上で条件を移動することで、燃焼を良好にすることができる点において、遅角要求の実現と動作原理は同様であり、本発明を適用することができる。
【００６０】
以上、本発明のエンジン制御装置のいくつかの実施の形態について詳述したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更を施すことが可能である。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の筒内噴射式エンジンの制御装置は、圧縮行程で燃料噴射と点火を行う筒内噴射式エンジンの制御において、安定な燃焼状態を維持しながら点火時期と燃料噴射時期を変化させることができ、エンジンの回転速度と負荷の条件以外の条件である排気ガスの温度を高くする制御によって点火時期を変化させるときにも良好な燃焼状態を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である筒内噴射式エンジンシステムの模式図である。
【図２】図１に示した筒内噴射式エンジンシステムにおけるコントロールユニットとセンサおよびアクチュエータ（インジェクタおよび点火コイル）の関係を示すブロック図である。
【図３】吸気行程で燃料噴射を行う場合のタイムチャートである。
【図４】圧縮行程で燃料噴射を行う場合のタイムチャートである。
【図５】吸気行程燃料噴射と圧縮行程燃料噴射の使い分けの制御手段のブロック図である。
【図６】圧縮行程中に燃料噴射を行って燃焼させる成層燃焼運転における挙動を示す模式図である。
【図７】圧縮行程噴射でエンジンを運転するきの燃料噴射開始時期と点火時期によるエンジン性能の一例を示す特性図である。
【図８】圧縮行程噴射でエンジンを運転するきの点火時期および燃料噴射時期と排気温度の関係を示す特性図である。
【図９】排気浄化装置における触媒の温度と転換効率（酸化および還元能力）の関係を示す特性図である。
【図１０】成層燃焼運転におけるエンジン始動後の触媒温度，ＨＣ排出濃度，エンジン冷却水温の推移の一例を示した特性図である。
【図１１】図１に示した筒内噴射式エンジンシステムにおけるコントロールユニットの演算手段が実行する点火時期および燃料噴射時期制御の演算処理のブロック図である。
【図１２】噴射燃料を所定の位置に到達させるため必要なクランク角度とエンジン回転数の関係を示す特性図である。
【図１３】噴射燃料を所定の位置に到達させるため影響するクランク角度とエンジン回転数の関係を示す特性図である。
【図１４】図１に示した筒内噴射式エンジンシステムにおけるコントロールユニットの演算手段が実行する燃料噴射時期制御の演算処理の一例を示すブロック図である。
【図１５】図１４に示した燃料噴射時期制御の演算処理におけるリタード要求量算出処理の一例を示すブロック図である。
【図１６】点火時期および燃料噴射時期とスワール生成有無と燃焼安定度の関係を示す特性図である。
【図１７】図１４に示した燃料噴射時期制御の演算処理におけるリタード要求量算出処理の他の例を示すブロック図である。
【図１８】図１４に示した燃料噴射時期制御の演算処理におけるリタード要求量算出処理の更に他の例を示すブロック図である。
【図１９】燃料圧力とインジェクタから噴射する燃料の粒径と燃焼安定性の関係の一例を示す特性図である。
【図２０】図１に示した筒内噴射式エンジンシステムにおけるコントロールユニットの演算手段が実行する燃料噴射時期制御の演算処理の他の例を示すブロック図である。
【図２１】燃料圧力と噴射（噴霧）の速度と噴射燃料が所定の位置に到達するまでの所要時間の関係を示す特性図である。
【図２２】図１に示した筒内噴射式エンジンシステムにおけるコントロールユニットの演算手段が実行する燃料噴射時期制御の演算処理の更に他の例を示すブロック図である。
【図２３】エンジン回転数およびトルクの各条件における排気ガス温度の分布の一例を示す特性図である。
【図２４】図１４に示した燃料噴射時期制御の演算処理におけるリタード要求量算出処理の更に他の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…エンジン、２…エンジンコントロールユニット、３…アクセルペダルセンサ、４…電子制御式スロットル弁装置（ＥＴＣ）、７…エアフローメータ、９…シリンダ、９ａ…燃焼室、１３…インジェクタ、１４…燃圧レギュレータ、１５…点火コイル、１６…点火プラグ、１８…クランク角センサ、２１…触媒式排気浄化装置、２２…Ａ／Ｆセンサ、２３…冷却水温センサ、２５…排気再循環制御弁。
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式エンジンの制御装置に係り、特に圧縮行程で燃料噴射と点火を行う筒内噴射式エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内燃料噴射式エンジンの燃料噴射および点火の制御方法として、例えば特開平１１−３０１７７号公報には、成層燃焼時にトルク操作等のための点火時期操作を行ったときの燃焼の悪化を防止するために、点火時期補正量に対応させて圧縮行程における燃料の噴射時期を補正するようにすることを提案している。
【０００３】
しかし、このエンジン制御装置は、点火時期の補正に対する燃料噴射時期の補正方法に対して具体的な補正方法（手段）を提案していない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、圧縮行程で燃料噴射および点火を行う筒内噴射式エンジンにおける点火時期変化に対して良好な燃焼状態を維持するための好ましい燃料噴射時期制御を実現することができる具体的な制御手段を提案することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンの筒内に圧縮行程で燃料噴射を行う手段と、圧縮行程で点火を行う手段と、エンジンの回転速度と負荷の条件により燃料噴射時期と点火時期の角基本値を決定する手段と、点火時期の基本値に対してエンジンの回転速度と負荷の条件以外の条件により補正を加える手段と、燃料噴射時期の基本値に対して補正を加える手段を備えた筒内噴射式エンジンの制御装置において、前記点火時期の基本値に対してエンジンの回転速度と負荷の条件以外の条件により補正を加える手段は、エンジンの排気ガスの温度を高くするために点火時期の基本値に対して加える遅角の補正値を算出する手段を備え、前記燃料噴射時期の基本値に対して補正を加える手段は、前記点火時期の基本値に対して前記排気ガスの温度を高くするために点火時期の基本値に対して遅角の補正が加えられるときには該点火時期の基本値に対する補正の値とそのときのエンジンの回転速度に応じて前記燃料噴射時期の基本値に対して前記排気ガスの温度を高くするための遅角分に相関する補正値を算出して加えるようにすることにより、排気ガスの温度を高くするための点火時期変化に対して良好な燃焼状態を維持するための好ましい燃料噴射時期制御を実現するものである。
【０００７】
また、燃料噴射時期の補正値は、点火時期の補正値とエンジン回転速度と燃料供給圧力に基づいた求めるようにる。
【０００８】
また、点火時期を変化させる手段は、変化させる量に許容限界値を持つようにする。
【０００９】
また、燃料噴射時期を補正する手段は、補正する量に許容限界値を持つようにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の筒内噴射式エンジンの制御装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、この実施の形態における筒内噴射式エンジンシステムの全体構成を示す模式図である。
【００１２】
エンジン１に吸入する空気量の制御は、エンジンコントロールユニット２がアクセルペダルセンサ３からのアクセルペダル操作量信号に基づいて電子制御式スロットル弁装置（ＥＴＣ）４を制御することにより行う。エンジン１に吸入される空気は、エアクリーナ５の入口部６から取り入れられ、吸気流量を計測する手段であるエアフローメータ７を通ってコレクタ８に入る。そして、コレクタ８に吸入された空気は、エンジン１の各シリンダ９に接続された各吸気管１０に分配されて各シリンダ９内の燃焼室９ａ内（筒内）に吸入される。
【００１３】
一方、ガソリンなどの燃料は、燃料タンク１１から燃料ポンプ１２により吸引して加圧し、インジェクタ１３が配管されている燃料系に供給する。加圧した燃料は、燃圧レギュレータ１４により一定の燃料圧力（例えば５ＭＰａ）に調圧し、それぞれのシリンダ９に設けた前記インジェクタ１３からシリンダ９内に噴射する。シリンダ９内に噴射した燃料は、点火コイル１５で高電圧化した点火電圧により点火プラグ１６に火花を発生させて点火する。
【００１４】
コントロールユニット２は、前記アクセルペダル操作量センサ３からのアクセルペダル踏量信号と、前記エアフローメータ７からの吸気流量を示す信号と、クランク角センサ１８からのクランク軸１９の角度信号ＰＯＳと、排気管２０中の触媒式排気浄化装置２１の前に設けたＡ／Ｆセンサ２２からの排気ガスの空燃比検出信号と、エンジン冷却水温センサ２３からの水温検出信号を入力する。
【００１５】
エアフローメータ７で検出した吸気流量信号は、フィルタ処理手段等の処理を施して吸入空気量に換算演算した後に、この吸入空気量をエンジン回転数（回転速度）で割って、空燃比がストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．７ 論理空燃比）となるような係数ｋを乗じて１シリンダ当たりの基本燃料噴射パルス幅、即ち、基本燃料噴射量を求める。その後、この基本燃料噴射量をもとにしてエンジンの運転状態に応じた様々な燃料量補正を施して燃料噴射量を求めた後にインジェクタ１３を駆動して各シリンダ９内に燃料を供給する。
【００１６】
また、コントロールユニット２は、排気管２０に設置したＡ／Ｆセンサ２２から出力される空燃比検出信号から排気ガスの実際の空燃比を検出し、所望の空燃比を得たいときには、このＡ／Ｆセンサ２２の検出信号により供給燃料量を調整する閉ループ制御を行うことで所望の空燃比状態を得ることができるようにしている。
【００１７】
更に、コントロールユニット２は、排気再循環（ＥＧＲ）路２４に設置した排気再循環制御弁２５を制御して排気再循環制御を実行する。
【００１８】
次に、コントロールユニット２と、それに接続した各センサと各アクチュエータについて、図２を参照して説明する。
【００１９】
各センサからの電気的信号は、コントロールユニット２の中にある演算手段１００に入力する。この演算手段１００は、これらの各信号によりエンジンおよびその周辺の状態を認識し、認識した状態に応じて適宜な演算処理を行って、アクチュエータを駆動する指令信号を出力する。
【００２０】
図２には、代表的な例として、インジェクタ１３と点火コイル１５に対する指令信号および駆動信号を示している。インジェクタ１３および点火コイル１５に対する指令信号は、何れも、ハイレベルとローレベルに変化する電気的信号であり、各々駆動回路２０１，２０２によってアクチュエータの駆動に十分な電気的エネルギを持つ駆動信号に増幅してインジェクタ１３および点火コイル１５に供給する。
【００２１】
インジェクタ１３は、指令信号のハイレベル期間に内部のコイルに通電して燃料通路開閉部を開放することにより燃料を噴射する。単位時間当りの燃料噴射流量は、インジェクタ１３の燃料通路開閉部の上流側の燃圧によって決まるので、燃料噴射量の制御は、このインジェクタ１３の開弁時間を制御することにより行う。
【００２２】
点火コイル１５は、指令信号のハイレベル期間に内部の１次側コイルに通電し、ハイレベル期間終了時に１次側コイルの通電を止めることで２次側コイルに高い誘導電圧を発生させて点火プラグに放電を発生させることによりシリンダ内の混合気に点火する。
【００２３】
ここで、シリンダ９内への燃料供給は、燃料をインジェクタ１３からシリンダ９内に直に噴射することにより行うので、燃焼に供する燃料の噴射時期は、吸気行程か圧縮行程の間に限られる。吸気行程で燃料噴射を行う場合のタイミングの一例を図３に示し、圧縮行程で燃料噴射を行う場合のタイミングの一例を図４に示す。何れの場合も、点火時期は、圧縮行程後半の混合気が圧縮されて点火し易い状況にあるときである。吸気行程または圧縮行程での燃料噴射による燃焼の挙動は後述するが、違いがあり、それぞれに得失があるために、エンジンの運転状況によって両者を使い分けるのが該エンジンの運転において効率的である。
【００２４】
この吸気行程燃料噴射と圧縮行程燃料噴射の使い分けの制御の一例を図５を参照して説明する。この使い分けの制御は、コントロールユニット２の演算手段１００における演算処理によって実行する。ブロック２１１では、エンジンの回転数（回転速度）と、アクセルペダル操作量とエンジン回転速度に応じて求めたエンジンが出力すべきトルクと、エンジンの冷却水温などのエンジンの運転条件から、成層燃焼を行うか、均質燃焼を行うかを判定する。成層燃焼と均質燃焼は、後述するが、燃焼室内部の混合気の分散度を意味し、これは燃料の噴射時期で操作することができる。成層燃焼にするか均質燃焼にするかの判定は、図示した信号以外にも、両者を使い分けるために適切な情報を適宜入力することにより、一層きめの細かい判定を行うことが可能となる。
【００２５】
成層燃焼にするか均質燃焼にするかの判定結果は、それぞれブロック２１２，ブロック２１３に引き渡す。ブロック２１２では、成層燃焼または均質燃焼を行うのに適する燃料噴射時期を演算し、ブロック２１３では、成層燃焼または均質燃焼を行うのに適する点火時期を演算する。
【００２６】
このようなエンジンにおいて、圧縮行程中に燃料噴射を行って燃焼させる成層燃焼の挙動を、図６を用いて説明する。図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、圧縮行程中の燃焼室９ａ内の様子を時系列に示したものである。（Ａ）は、インジェクタ１３からシリンダ９内へ燃料ｘｘの噴射を完了したところである。（Ｂ）に至ると、ピストンが（Ａ）時点より上昇しており、燃料ｘｘはピストンの冠面に至る。ピストンには、燃料の拡散を防止し、かつ上部へ搬送するような凹部が設けられている。従って、（Ｃ）に至ると、燃料ｘｘは空気と適度に混合した形で点火プラグ１６の近傍に集積することになる。この時点で点火を行うと、点火プラグ１６の近傍の適度な空燃比の混合気に確実に点火することができ、良好な燃焼が得られる。
【００２７】
このとき、点火プラグ１６の近傍以外の燃焼室９ａ内は、燃料ｘｘが存在しないために、燃焼室全体では、空燃比は大幅にリーン状態であり、かかる燃焼では、エンジンのポンピングロスを低減することができるために、均質な状態の混合気を燃焼させる均質燃焼のときよりも良好な燃費を得ることができる。
【００２８】
一方、図示説明は省略するが、吸気行程で燃料噴射を行う均質燃焼においては、ピストンの下降に伴って空気が吸気弁から吸入され、この吸気行程で噴射された燃料は、吸入空気に乗って燃焼室内に均質に分散する。しかる後に圧縮行程に移行して、混合気は空気と燃料が均質に混合した形で圧縮されて点火される。この場合の空燃比は、前述の圧縮行程での燃料噴射の場合に比べてリッチ状態とすることで良好な燃焼を得ることができる。
【００２９】
以上に説明したように、圧縮行程で燃料を噴射して燃焼させることで、燃焼室内の混合気を成層化することができ、その結果、良好な燃費を得ることができるが、この成層燃焼を成立させるためには、燃料噴射のタイミングと点火時期が相互に密接な関係で制御される必要があることが判る。
【００３０】
図７は、圧縮行程噴射でエンジンを運転するときの燃料噴射開始時期と点火時期によるエンジン性能の一例を示す特性図である。図中の閉曲線ｗｗは、燃焼が安定している範囲を示したもので、閉曲線ｗｗの内側では燃焼が安定し、外側では燃焼が不安定であることを意味する。破線で示す直線ｙｙは、安定した燃焼が得られる範囲の略中心を示したもので、燃料噴射開始時期と点火時期が所定の関係で共に進角または遅角する条件において良好な燃焼が得られることを示している。この特性によれば、点火に先立って、点火時期に点火プラグの近傍に燃料が到達するタイミングで燃料噴射を開始するようにすれば良好な燃焼が得られ、点火時期を進角させたときにはそれに伴って噴射開始時期も進角させ、点火時期を遅角させたときにはそれに伴って噴射開始時期も遅角させれば良いことが判る。
【００３１】
一方、各曲線ｚｚは、それぞれの点火時期および噴射開始時期での排気温度等高線を示しており、点火時期が進角側のときに低い排気温度、遅角側のときに高い排気温度となっている。燃焼が不安定な範囲では、燃焼による熱発生自体が少ないので、低い排気温度となっている。一般に、点火時期が遅角するとＴＤＣ（ピストンの上死点）付近の高圧縮比下での燃焼が完全に終了せずに排気行程までも燃焼が持続するために排気温度が高くなる。この現象は、圧縮行程噴射（成層燃焼）時に限らず、均質な混合気による燃焼（均質燃焼）時でも同様である。
【００３２】
以上のことから、図７の直線ｙｙ上の条件での排気温度の分布の一例を図８に示す。点火時期および燃料噴射時期の条件が共に進角側から遅角側に移行するにつれて、先ず、良好な燃焼が得られる条件で排気温度が高くなり、以後、遅角するにつれ単調に排気温度が上昇し、良好な燃焼が得られなくなる条件になると排気温度が低下する関係となる。
【００３３】
また、一方、排気浄化装置２１の触媒は、エンジン停止中は周囲の環境の温度と同等の温度であり、エンジン始動後に排気ガスの熱により加熱されて昇温する。また、触媒は、排気ガス中の還元剤および酸化剤をそれぞれ酸化および還元して排出する機能を持つが、酸化および還元の能力は、例えば、図９に示すように、触媒の温度が所定値以上のときに高い値を示す。従って、エンジン始動直後の触媒の温度が低いときには、排気ガスの温度を高くすることによって該触媒の昇温を早めることにより該触媒を早期に活性化することができるようになる。
【００３４】
排気ガスの温度を高める１つの方法は、圧縮行程で燃料噴射を行う成層燃焼時においては、図７を参照して説明したように、排気温度が高くなるように点火時期および燃料噴射時期を遅角側で運転することにより実現することができる。
【００３５】
図１０は、成層燃焼運転において、エンジン始動後の触媒温度，ＨＣ排出濃度，エンジン冷却水温の推移の一例を示した特性図である。点火時期の遅角運転を行うことにより、触媒の温度が早期に上昇し、その結果、還元剤であるＨＣの排出濃度が早期に低い値になることが判る。
【００３６】
このような燃焼を実現させるために必要な点火時期と燃料噴射時期の制御は、図７を参照して説明した直線ｙｙの線上の点火時期と燃料噴射時期を選択することにより実現することができる。すなわち、触媒の温度を昇温させるときのように点火時期の遅角要求がある場合は、点火時期を遅角させると共に直線ｙｙの関係から得ることができる燃料噴射時期を与えることで、燃焼が安定している運転条件を外れることなく点火時期の遅角を実現することができ、従って、燃焼状態を悪化させることなく触媒を昇温することができる。また、触媒温度が目標に到達したときは、もはや点火時期を遅角させる必要はなくなるために、点火時期を進角側へ移動させるのが良い。かかる場合も、同様に、直線ｙｙの関係から得ることができる燃料噴射時期を与えることで、燃焼が安定している運転条件を外れることなく点火時期の進角を実現することができる。
【００３７】
以上に説明した制御の一実施の形態を図１１に示す。この制御もコントロールユニット２の演算手段１００における演算処理により実行する。ブロック１２１，１２２は、それぞれ、エンジン回転数，トルク，冷却水温という同じパラメータをもとにしてこれらの３軸からなるマップを検索する。ここで、マップ内に格納するパラメータが、ブロック１２１では点火時期、ブロック１２２では燃料の噴射時期である。マップに格納してあるパラメータの数値は、予め３軸の各格子点で点火時期と噴射時期を図７に示した関係のように整合するよう設定しておく。ブロック１２１，１２２で参照するパラメータは同じであるから、それらの条件の如何に拘らず、点火時期と燃料噴射時期は１組の整合した値が検索されることとなる。更に、マップに格納してある数値は、冷却水温が低いときは点火時期および噴射時期を共に遅角側の数値を、冷却水温が高いときには進角側の数値を設定しておく。このようにすることにより、冷却水温が低いとき（エンジン始動直後で触媒の温度も低く該触媒を昇温したいとき）には排気温度を高くすることができる点火時期と噴射時期を選択し、冷却水温が高くなったとき（触媒も昇温の必要がなくなったとき）には排気温度が高くならない点火時期および燃料噴射時期を設定することができる。
【００３８】
点火時期の遅角要求がない場合は、ブロック１２１，１２２は、共に、冷却水温を入力する必要はなく、エンジン回転数とトルクから点火時期および燃料噴射時期を求めることにより良好な燃焼を得ることができるが、冷却水温を点火時期および燃料噴射時期の決定因子に加えることで、前述したように排気温度制御が可能となる。
【００３９】
ここで、燃料を噴射してから点火するまでの時間について、より詳細に説明する。図６の（Ｂ）に示す位置に燃料ｘｘが到達するために必要な時間は、噴射した燃料の速度により決定される。燃料の噴射速度が一定であるとすると、（Ｂ）において、燃料ｘｘが図示の位置に到達するのに必要な時間は一定である。燃料の噴射時期は、クランク角度に基づいて制御するのが点火時期との整合のために好都合であるので、クランク角度で整理すると、図１２に示すように、エンジン回転数が高くなるにつれ大きなクランク角度を必要とする。
【００４０】
一方、図６の（Ｂ）から（Ｃ）の状態に移行するのに必要なクランク角度は、燃料ｘｘをピストンにより跳ね上げるのに必要な時間であるから、図１３に示すように、エンジン回転数に多少の感度を持ち（影響され）、エンジン回転数が低いときには大きなクランク角度を必要とする。
【００４１】
すなわち、ある点火時期に先立って燃料噴射を行うについては、主にエンジン回転数により定まるクランク角度だけ先立って燃料噴射を開始することで良好な燃焼を得ることができる。
【００４２】
以上のことから、点火時期に応じた燃料噴射時期を与える制御方法の一実施の形態を、図１４を参照して説明する。この制御もコントロールユニット２の演算手段１００における演算処理により実行する。前提として、点火時期は、点火時期遅角の要求がない前提で制御部分（図示省略）により演算されているものを示す。先ず、ブロック１３１で、点火時期遅角要求がない前提での燃料噴射時期を基本値として求める。一方、ブロック１３２では、点火時期のリタード量、すなわち、遅角の要求量を例えば触媒の温度上昇要求などから求める。ここで、図１２および図１３を参照して説明したように、点火時期を遅角要求に伴って遅角したときには、エンジン回転数に応じて点火時期遅角量と相関して燃料噴射時期を遅角すれば良いので、ブロック１３３でエンジン回転数に応じて求められる係数を検索し、検索した係数を点火時期の遅角量に掛けることにより、燃料噴射時期の移動量を求める。この移動量は、ブロック１３１で求めた燃料噴射時期基本値に加算して噴射時期として出力する。ブロック１３３で求める係数は、図７に示した直線ｙｙの傾きであり、その値は、図１２および図１３の関係から求めることができる。
【００４３】
図１４のブロック１３２において求めるリタード要求量算出方法の一例を図１５を参照して説明する。ブロック１４１で、成層燃焼の運転条件によって定まるリタード量の基本値を求める。この基本値は、図７を参照して説明した燃焼が安定な範囲ｗｗの広さといった、燃焼の性能によって定められるリタードが可能な値であり、エンジン回転数とトルクによって定まる運転条件から求める。
【００４４】
一方、エンジン冷却水温および始動時のエンジン冷却水温から触媒の昇温要求を決めることができるので、それぞれ、ブロック１４２，１４３からリタード基本値に対してどれほどのリタード量を与えるかの係数を求める。そして、それぞれ求めた係数を、リタード基本値に掛けることにより、エンジンの暖機過程における所望のリタード量を得る。
【００４５】
このような制御を行うことにより、図１１を参照して説明した例よりも点火時期リタード量をきめこまかく制御することが可能となる。また、燃焼を成立させるために、燃焼室内にスワールを生成させる機構を採用している場合には、図１６に示すように、スワール生成機構が正常に作動しているときは、図中の特性ａａで示すように良好な燃焼安定性を示す。ところが、スワール生成機構が故障している場合は、図中の特性ｂｂで示すように燃焼安定性が悪化する。このような状態のときには、図１４を参照して説明した実施の形態では、スワール生成機構の故障を検出した場合は、リタード要求量を０とすることで、燃焼が成立しないようなリタード制御を施すことがなくなり、また、燃料噴射時期も点火時期に整合した値とすることができる。
【００４６】
また、図８に示した特性から判るように、点火時期を過度に遅角させると良好な燃焼が得られなくなり、従って、エンジンの出力が不安定となるばかりか、排気温度も低くなり点火時期遅角の目的を果たさなくなる。一方、図１５を参照して説明したリタード要求量算出処理で、リタード量基本値より大きいリタード量が演算された場合には、前述したような現象が生じる。これを避けるために、図１７に示すように、図１５に示す算出処理に対してリミッタ処理１５１を追加すると有効である。すなわち、演算したリタード量がリタード量基本値を超えないような制限処理を行うリミッタ処理ブロック１５１を追加すれば、前述したような過度の遅角による現象は生じなくなる。この処理もコントロールユニット２の演算手段１００により実行する。
【００４７】
図１７に示す実施の形態と同様な制限機能を持つ別の実施の形態を図１８に示す。この実施の形態は、基本リタード量に掛ける係数を１．０に制限する制限処理を行うブロック１６１を付加したものである。この処理も演算手段１００により実行する。
【００４８】
また、インジェクタ１３への燃料の供給圧力を所定値に保つレギュレータ１４が、燃料圧力を調整（可変）することができる機能を持つ場合がる。インジェクタ１３から噴射する燃料の粒径は、燃料圧力の高低によって変化する。図１９は、燃料圧力とインジェクタ１３から噴射する燃料の粒径と燃焼安定性の関係の一例を示している。燃料圧力が高いと、インジェクタ１３から噴射する燃料の粒径は小さくなり、燃焼安定性が良くなる。しかしながら、高い燃料圧力を得るには大きいエネルギを必要とするために、燃料圧力を運転条件に応じて調整するようにすることにより、燃料圧力を高めるためのエネルギ消費量と燃焼安定性をバランス良く両立させることができる。
【００４９】
燃料噴射時期の演算は、図１４を参照して説明した例では係数により演算して行っているために、同様の理由で、リミッタを設けるのが望ましい。その一例を図２０を参照して説明する。この例は、図１４を参照して説明した例に対して、ブロック１７１，１７２を追加している。このブロック１７１，１７２もコントロールユニット２の演算手段１００における演算処理により実行する。ブロック１７１では、エンジン回転数とトルクから求める燃料噴射時期の制限値を演算し、ブロック１７２で、最終的に、燃料噴射時期に対して制限を加えている。これにより、安定した燃焼が成立しなくなるような燃料噴射時期での燃料噴射を防止することができるようになる。
【００５０】
ここで、燃料圧力と噴射（噴霧）の速度および図６の(Ａ)から（Ｂ）までの所要時間の関係を図２１を参照して説明する。燃料圧力が高いと噴射の速度は早くなり、従って、所要時間は短くなる。この現象は、図１２を参照して説明した関係が、燃料圧力により異なるということを意味する。従って、燃料圧力を調整する手段を備えた装置では、図２２に示す制御方法により燃料噴射時期を演算するようにすると良い。
【００５１】
図２２に示した燃料噴射時期制御方法は、図１４を参照して説明した制御方法に対して、燃料圧力による係数の演算と、算出した係数を掛けることによる燃料噴射時期演算への反映を、ブロック１８１の追加により変化させるようにしたものである。これにより、燃料圧力が調整されることにより燃料噴射速度が変化する場合でも、点火時期の変化に応じた適正な燃料噴射時期を演算することができるようになる。ブロック１８１における演算処理もコントロールユニット２の演算手段１００により実行する。
【００５２】
また、圧縮行程における燃料噴射による成層燃焼では、ポンピングロスが低下することにより排気ガスへの熱流出が少なく、また、リーンな空燃比とすることで排気ガスの量は多くなるが燃焼発熱量は減少するために、排気温度は、リッチな空燃比で燃焼を行う場合よりも低くなる。
【００５３】
図２３は、エンジン回転数とトルクの各条件における排気ガス温度の分布の一例を示している。低いエンジン回転数およびトルクの条件では、排気ガスの温度は低い。従って、アイドル状態などのように低いエンジン回転数およびトルクの条件で成層燃焼を持続させると、エンジン冷却水温は高いにも拘らずに触媒の温度が低下する。
【００５４】
従って、このような場合には、点火時期を遅角させて触媒の温度を該触媒が活性状態を維持するように維持させるのが良い。しかし、図１８を参照して説明したように、エンジン冷却水温によりリタード量を求める制御では、このような状態のときにはエンジン冷却水温が低くならないために点火時期に遅角を与えることができない。
【００５５】
そこで、例えば図２４に示すように、触媒の温度が低下したときには点火時期を遅角させるリタード要求量演算方法を適用することで、触媒の温度を良好な活性状態に維持することができる。
【００５６】
図２４において、ブロック１４１〜１４３およびブロック１６１は、図１８を参照して説明した例と同等の機能手段である。そして、ブロック１９１は、エンジンの運転条件から排気温度を求める。ブロック１９２は、排気温度と運転状態の経過時間などから触媒の温度を推定する。ブロック１９３は、推定した触媒温度から遅角する割合を検索して求め、求めた係数をリタード量基本値に掛ける係数に加えるようにしている。これらの各ブロック１９１〜１９３における演算処理もコントロールユニット２の演算手段１００において実行する。
【００５７】
この例では、排気ガスおよび触媒の温度を推定するようにしたが温度センサで直接的に計測する方法によってこれらの温度情報を直に取得することも可能である。
【００５８】
また、触媒の温度制御を行うための点火時期遅角制御を行う例を説明したが、他の点火時期遅角要求、例えばエンジンの騒音低下、出力トルク制御、ノッキングの回避制御など、様々な点火時期遅角の要求に対しても本発明を適用することができる。
【００５９】
更に、以上の説明では、点火時期を遅角させる場合を説明したが、点火時期を進角させる要求に対しても、図７における直線ｙｙ上で条件を移動することで、燃焼を良好にすることができる点において、遅角要求の実現と動作原理は同様であり、本発明を適用することができる。
【００６０】
以上、本発明のエンジン制御装置のいくつかの実施の形態について詳述したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更を施すことが可能である。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の筒内噴射式エンジンの制御装置は、圧縮行程で燃料噴射と点火を行う筒内噴射式エンジンの制御において、安定な燃焼状態を維持しながら点火時期と燃料噴射時期を変化させることができ、エンジンの回転速度と負荷の条件以外の条件である排気ガスの温度を高くする制御によって点火時期を変化させるときにも良好な燃焼状態を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である筒内噴射式エンジンシステムの模式図である。
【図２】図１に示した筒内噴射式エンジンシステムにおけるコントロールユニットとセンサおよびアクチュエータ（インジェクタおよび点火コイル）の関係を示すブロック図である。
【図３】吸気行程で燃料噴射を行う場合のタイムチャートである。
【図４】圧縮行程で燃料噴射を行う場合のタイムチャートである。
【図５】吸気行程燃料噴射と圧縮行程燃料噴射の使い分けの制御手段のブロック図である。
【図６】圧縮行程中に燃料噴射を行って燃焼させる成層燃焼運転における挙動を示す模式図である。
【図７】圧縮行程噴射でエンジンを運転するきの燃料噴射開始時期と点火時期によるエンジン性能の一例を示す特性図である。
【図８】圧縮行程噴射でエンジンを運転するきの点火時期および燃料噴射時期と排気温度の関係を示す特性図である。
【図９】排気浄化装置における触媒の温度と転換効率（酸化および還元能力）の関係を示す特性図である。
【図１０】成層燃焼運転におけるエンジン始動後の触媒温度，ＨＣ排出濃度，エンジン冷却水温の推移の一例を示した特性図である。
【図１１】図１に示した筒内噴射式エンジンシステムにおけるコントロールユニットの演算手段が実行する点火時期および燃料噴射時期制御の演算処理のブロック図である。
【図１２】噴射燃料を所定の位置に到達させるため必要なクランク角度とエンジン回転数の関係を示す特性図である。
【図１３】噴射燃料を所定の位置に到達させるため影響するクランク角度とエンジン回転数の関係を示す特性図である。
【図１４】図１に示した筒内噴射式エンジンシステムにおけるコントロールユニットの演算手段が実行する燃料噴射時期制御の演算処理の一例を示すブロック図である。
【図１５】図１４に示した燃料噴射時期制御の演算処理におけるリタード要求量算出処理の一例を示すブロック図である。
【図１６】点火時期および燃料噴射時期とスワール生成有無と燃焼安定度の関係を示す特性図である。
【図１７】図１４に示した燃料噴射時期制御の演算処理におけるリタード要求量算出処理の他の例を示すブロック図である。
【図１８】図１４に示した燃料噴射時期制御の演算処理におけるリタード要求量算出処理の更に他の例を示すブロック図である。
【図１９】燃料圧力とインジェクタから噴射する燃料の粒径と燃焼安定性の関係の一例を示す特性図である。
【図２０】図１に示した筒内噴射式エンジンシステムにおけるコントロールユニットの演算手段が実行する燃料噴射時期制御の演算処理の他の例を示すブロック図である。
【図２１】燃料圧力と噴射（噴霧）の速度と噴射燃料が所定の位置に到達するまでの所要時間の関係を示す特性図である。
【図２２】図１に示した筒内噴射式エンジンシステムにおけるコントロールユニットの演算手段が実行する燃料噴射時期制御の演算処理の更に他の例を示すブロック図である。
【図２３】エンジン回転数およびトルクの各条件における排気ガス温度の分布の一例を示す特性図である。
【図２４】図１４に示した燃料噴射時期制御の演算処理におけるリタード要求量算出処理の更に他の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…エンジン、２…エンジンコントロールユニット、３…アクセルペダルセンサ、４…電子制御式スロットル弁装置（ＥＴＣ）、７…エアフローメータ、９…シリンダ、９ａ…燃焼室、１３…インジェクタ、１４…燃圧レギュレータ、１５…点火コイル、１６…点火プラグ、１８…クランク角センサ、２１…触媒式排気浄化装置、２２…Ａ／Ｆセンサ、２３…冷却水温センサ、２５…排気再循環制御弁。
Claims (4)
- エンジンの筒内に圧縮行程で燃料噴射を行う手段と、圧縮行程で点火を行う手段と、エンジンの回転速度と負荷の条件により燃料噴射時期と点火時期の各基本値を決定する手段と、点火時期の基本値に対してエンジンの回転速度と負荷の条件以外の条件により補正を加える手段と、燃料噴射時期の基本値に対して補正を加える手段を備えた筒内噴射式エンジンの制御装置において、
前記点火時期の基本値に対してエンジンの回転速度と負荷の条件以外の条件により補正を加える手段は、エンジンの排気ガスの温度を高くするために点火時期の基本値に対して加える遅角の補正値を算出する手段を備え、
前記燃料噴射時期の基本値に対して補正を加える手段は、前記点火時期の基本値に対して前記排気ガスの温度を高くするために点火時期の基本値に対して遅角の補正が加えられるときには該点火時期の基本値に対する補正の値とそのときのエンジンの回転速度に応じて前記燃料噴射時期の基本値に対して前記排気ガスの温度を高くするための遅角分に相関する補正値を算出して加えることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。 - 請求項１において、燃料噴射時期の基本値に対して加える前記排気ガスの温度を高くするための遅角分に相関する補正値は、点火時期の補正値とそのときのエンジン回転速度と燃料供給圧力に基づいて求めるようにしたことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
- 請求項１において、点火時期の基本値に対して排気ガスの温度を高くするための遅角の補正を加える手段は、補正する量に許容限界値を持つことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
- 請求項１において、燃料噴射時期の基本値に対して排気ガスの温度を高くするための遅角の補正を加える手段は、補正する量に許容限界値を持つことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
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