JP4061870B2 - Control device for direct injection spark ignition engine - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴式火花点火機関の制御装置に関し、詳細には、この種の内燃機関に係る排気後処理用触媒を排気ガスによって活性温度にまで加熱し又はこれを活性温度に維持するための燃焼制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、燃焼室内に燃料を直接噴射して点火燃焼させる直噴式火花点火機関により、燃費と出力との両立が図られている。この種の内燃機関では、運転状態に応じて燃焼形態を切り換えるのが一般的である。すなわち、燃料を吸気行程に噴射することにより燃焼室内に拡散させ、混合気を均質に形成して行う均質燃焼と、燃料を圧縮行程に噴射することにより点火プラグ近傍に局所的に分布させ、混合気を層状に形成して行う成層燃焼とである。
【０００３】
さて、このような直噴式火花点火機関においても、有害排気成分の大気中への放出を抑止するため、排気通路には触媒装置が設けられている。そして、触媒は、活性状態となる適正温度域にないと有効に機能せず、有害排気成分を未浄化のまま垂れ流してしまうため、触媒をこの温度域に保持することが重要となる。従って、長期停止後の冷態始動時や、排気温度が低い運転状態が継続したために触媒温度が適正温度域を外れて低下したときには、触媒を加熱して、適正温度域にまで速やかに昇温させる必要がある。特に、冷態始動時では、点火プラグ周りの混合気の空燃比を略一定とするために燃料を若干多めに噴射しているので、触媒を早期に活性化し、有害排気成分の垂流しを早い段階から抑止する必要性が一層高い。
【０００４】
このような要請に対し、従来より、直噴式であるが故の特徴を利用したものが種々提案されている。
例えば、特開平１０−１６９４８８号公報には、触媒昇温要求下で燃焼室全体の空燃比を理論空燃比から若干希薄程度とする圧縮行程噴射を行うとともに、噴射時期を大幅に遅らせることにより、点火プラグ近傍の混合気をオーバーリッチな状態（空燃比で８〜１０）として成層燃焼を行う方法が開示されている。
【０００５】
また、特開２０００−２４０４８５号公報には、触媒昇温要求下で燃焼室全体の空燃比を若干希薄として成層燃焼を行うとともに、冷態始動時には、この成層燃焼への移行前に、膨張行程にポスト噴射を行って予め触媒をある程度昇温させておく方法が開示されている。
これらの公知技術は、いずれも点火プラグ近傍で燃料を通常の成層燃焼よりも濃くすることにより不完全燃焼を起こし、その結果生成された未燃炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が残りの酸素と後反応するときに発生する熱を利用して触媒を加熱するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の方法に従いオーバーリッチな混合気を形成すると、ＨＣ等の不完全燃焼生成物が完全には燃え切らず、一部が有害排気成分として放出される惧れがある。上記特開平１０−１６９４８８号公報には、後反応を促進させる着火誘導剤を発生させるための付随的な手段として、吸気行程に燃料の一部を先行噴射することが開示されている。このような措置を講ずることにより有害排気成分の放出抑制効果が得られるであろうが、この場合は、翻って、燃費の悪化を来すという別の問題がある。先行噴射により混合気が層状に形成され、点火プラグ近傍と燃焼室壁面近傍とで燃料濃度に差が生じると、燃焼効率の低下のため、一定のトルクを得るためにより多量の燃料が必要となるからである。結論として、不完全燃焼生成物の後反応により触媒を加熱することができるが、この際、複段噴射は効率上好ましくなく、後反応のために点火プラグ近傍に燃料を集中させるにしても、適正な空燃比に抑える必要があると考えられる。
【０００７】
一方、後者の方法によれば、噴射時期がそれほどは遅角されていないので、空燃比がオーバーリッチとなる混合気は形成されず、上述のような排気性能上の問題はないと考えられる。ところが、圧縮行程噴射の際に燃料性状が一切考慮されていないため、この方法を採用する場合にも未だ次のような問題が残っている。燃料性状は給油ステーション毎に多少差があるので、常に同じ性状の燃料が給油されるとは限らない。加えて、機関制御系統は、重質燃料に適合するように設計されるのが一般的である。このため、タンクに貯蔵される燃料が設定よりも軽質となり、燃料の揮発性が高くなった状態で重質燃料についての設定通りに噴射を実行すると、点火プラグ周りの燃料が過度に濃くなってしまい、燃焼が成立しない（失火する）惧れがある。このような傾向は、性状に応じた燃料の気化特性の差が顕著に現れる冷態始動時において特に問題となる。上記特開２０００−２４０４８５号公報に従えば、ポスト噴射により暖機がある程度進んだ状態で圧縮行程噴射に切り換えられるので、失火の問題は回避されるであろうが、機関出力に寄与しない燃料が噴射されることとなるので、その分燃費が悪化してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、排気ガスを利用して触媒を活性化させ又は触媒の活性状態を維持することであり、特に、その際に、有害排気成分の放出を防止するとともに、低燃費を実現する点にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に記載の発明では、直噴式火花点火機関の制御装置を、（Ａ）燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射手段、（Ｂ）特定運転条件下で前記燃料噴射手段により燃料を圧縮行程に噴射させて成層燃焼を行わせる燃焼制御手段、（Ｃ）燃料性状を推定する燃料性状推定手段、及び（Ｄ）排気温度を上昇させるべき条件にあるか否かを判定する排温上昇要件成立判定手段を含んで構成した。そして、排温上昇要件成立判定手段により排気温度を上昇させるべき条件にあると判定されたときに、燃焼室全体の空燃比を理論空燃比又はこれよりも若干希薄側にする燃料噴射量を、そのときの目標空燃比に対応する基本噴射量を燃料性状推定手段により推定された燃料性状に応じて補正して算出し、算出された燃料噴射量を圧縮行程に噴射させて成層燃焼を行わせることとした（燃焼制御手段）。
【００１０】
本発明は、排気温度を上昇させるために燃焼室全体の空燃比を通常よりも低く設定した成層燃焼を行うとともに、このような成層燃焼に際し、燃料噴射量の算出過程に燃料性状を反映させたことを要旨としている。そして、上記構成によれば、点火プラグ周りの空燃比を理論空燃比よりも若干低い程度に正確に制御できるようになる。このため、成層燃焼により未燃ＨＣ等の不完全燃焼生成物を発生させるが、これを筒内に残っている酸素と後反応させて、燃焼し切ることが可能である。さらに、このときに発生する熱により排気温度を上昇させる。なお、本明細書では、排気温度を上昇させるために空燃比を上記のように調整して行う成層燃焼を、特に「排気昇温成層燃焼」と呼ぶこととする。
また、請求項１に記載の発明では、機関始動の際にまず均質燃焼を行わせ、排気温度を上昇させるべきであることを含む所定条件が成立したことをもって均質燃焼から（複段噴射を伴う運転を介することなく）排気昇温成層燃焼に直接切り換えるとともに、均質燃焼から排気昇温成層燃焼への切換直後に目標空燃比の移行期間を設け、この移行期間では、目標空燃比を移行完了後のものよりも低く設定して燃料噴射量を算出することとした。
冷態始動の場合を考えると、排気昇温成層燃焼に切り換えられて燃焼室がさらに暖められると、それに伴って燃焼室壁面に付着した燃料（壁面付着燃料成分）が気化し易くなる。ところが、これが未だ充分に暖まっていないうちは、壁面付着燃料成分が気化し難く、点火プラグ周りの空燃比に適正域からのズレが生じる惧れがある。そこで、切換直後に目標空燃比を低めとする期間（移行期間）を設け、その期間では燃料を多めに噴射するのである。
さらに、上記移行期間において、目標空燃比を冷却水温度に応じた所定の変化率をもって上昇させることとし、切換後一定の制御周期が経過した時点における移行中の目標空燃比に冷却水温度が高いときほど大きな値を持たせることとした。
請求項２に記載の発明では、所定の変化率を機関温度に基づいて設定することとした。
請求項３に記載の発明では、所定の変化率を、機関温度としての冷却水温度が高いときほど大きな値に設定して、切換えを速やかに完了させることとした。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、排気通路に介装された排気後処理用触媒を加熱する必要があるときに、排気温度を上昇させるべき条件にあると判定することとした。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、燃料性状推定手段による推定が終了している場合にのみ排気昇温成層燃焼を許可することとした。
請求項６に記載の発明では、ピストン冠面温度（冠面温度）が高温状態を示す所定温度以上であると判定された場合にのみ排気昇温成層燃焼を許可することとした。
成層燃焼では燃料噴霧の輸送にピストン冠面が積極的に利用されるところ、冠面温度が適正域を逸脱して低い間は、混合気が良好に形成され難いからである。
【００１６】
請求項７に記載の発明では、推定された燃料性状に応じて燃料が軽質であるほど燃料噴射量を大きく減量補正することとした。
燃料が軽質であれば、それだけ揮発性が高く気化し易いので、重質燃料による場合と比較して少ない量の燃料を噴射することにより、点火プラグ周りの空燃比を常に適正域内に保持するのである。
【００１７】
請求項８に記載の発明では、燃料性状に応じた補正量を機関回転数に基づいて決定することとし、また、請求項９に記載の発明では、この補正量に応じて機関回転数が低いときほど燃料噴射量を増量することとした。
機関が低速で回転しているときは、筒内におけるガス流動が弱く、燃料が気化し難いからである。
請求項１０に記載の発明では、燃料性状に応じた補正量を冷却水温度に基づいて決定することとし、また、請求項１１に記載の発明では、この補正量に応じて冷却水温度が低いときほど燃料噴射量を増量することとした。
【００１８】
請求項１２に記載の発明では、燃料性状に応じた補正を燃料噴射量のオープン制御中に行うこととした。
請求項１３に記載の発明では、燃料性状に応じた補正を燃料噴射量のフィードバック制御中に行うこととした。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、排気昇温成層燃焼を行う際に燃料性状に応じて燃料噴射量を補正することとしたので、点火プラグ周りの混合気（プラグ周り混合気）を燃料性状の違いによらず常に適正な空燃比に制御できる。このため、点火プラグ周りの空燃比が適正域から外れる（主として、燃料が過度に濃くなる）ことによる失火を防止するとともに、混合気がオーバーリッチとなることに起因する有害排気成分の放出を防止できる。
【００２０】
また、プラグ周り混合気が燃料性状を考慮して厳密に制御されるので、不完全燃焼生成物の発生量（燃料噴射量で定まる）を排気温度の上昇に必要な最小限度に抑えるとともに、着火誘発剤等がなくとも後反応を良好に完了できる。このため、燃料噴射量が（特に、軽質燃料が使用される場合に）削減されるとともに、後反応のために複段噴射を必要としないので、低燃費を実現できる。
さらに、機関始動の際にまず均質燃焼を行わせ、所定条件の成立をもって均質燃焼から排気昇温成層燃焼に直接切り換えることにより、機関全体、特に、排気後処理用触媒を低燃費で暖機できる。
ここで、排気昇温成層燃焼への切換直後に目標空燃比が低めに設定される期間（移行期間）を設けたことにより、点火プラグ周りの空燃比が適正域を外れて高くなることを防止でき、さらに、この移行期間において、目標空燃比を冷却水温度に応じた所定の変化率をもって上昇させることにより、燃焼室の暖機の進行に追従させて目標空燃比を設定できる。
請求項２に係る発明によれば、所定の変化率を機関温度に基づいて設定することにより、燃焼室の暖機状態に容易に適合させることができる。
請求項３に係る発明によれば、機関温度としての冷却水温度が高いときほどこの変化率を大きくして、切換えを速やかに完了させることにより、高温となった場合に燃料噴射量が過多となり、プラグ周り混合気が過度に濃くなることを防止できる。
【００２１】
請求項４に係る発明によれば、排気後処理用触媒を始動後速やかに活性化させるともに、活性化した後は、これを活性温度に維持できる。
【００２４】
請求項５に係る発明によれば、燃料性状推定が終了していないうちは排気昇温成層燃焼を行わないことにより、不正確な燃料性状に基づく補正によってプラグ周り混合気の空燃比が却って適正値からばらついて、燃焼が不安定となることを防止できる。
請求項６に係る発明によれば、冠面温度が高温状態となった後に排気昇温成層燃焼を行うことにより、ピストン冠面を利用してプラグ周り混合気を良好に形成できる。
【００２５】
請求項７に係る発明によれば、燃料が軽質であるほど燃料噴射量を大きく減量補正することにより、揮発性の違いに応じて燃料噴射量を増減し、プラグ周り混合気の空燃比を常に適正域に保持できる。
請求項８に係る発明によれば、補正量を機関回転数に基づいて決定することにより、ガス流動の速さに対応して燃料噴射量を補正できる。特に、請求項９に係る発明により低回転数であるときほど、すなわち、ガス流動が未発達であるときほど燃料噴射量を増量することで、気化しない壁面付着燃料成分を補い、プラグ周り混合気の空燃比を一層正確に制御できる。
【００２６】
請求項１０に係る発明によれば、補正量を冷却水温度に基づいて決定することにより、暖機状態に対応して燃料噴射量を補正できる。特に、請求項１１に係る発明により冷却水温度が低いときほど、すなわち、暖機が進んでおらず、壁面付着燃料成分が気化し難いときほど燃料噴射量を増量することにより、プラグ周り混合気の空燃比を一層正確に制御できる。
【００２７】
請求項１２に係る発明によれば、燃料性状に応じた補正を燃焼噴射量のオープン制御中に行うことにより、燃料性状の違いよる記憶値に対する空燃比のバラツキを補償できる。
請求項１３に係る発明によれば、燃料性状に応じた補正を燃料噴射量のフィードバック制御中に行うことにより、目標空燃比を正確に達成できるので、排気温度の上昇に必要な量の燃料を正確に供給し、あるいは不完全燃焼生成物の後反応に必要な酸素を正確に確保できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る直噴式火花点火機関（エンジン）の構成を示している。エンジン本体１のシリンダヘッド（図中、二点鎖線Ｃで示す）には、吸気管２が接続されており、その導入部にエアクリーナ（図示せず）が取り付けられている。吸入空気は、エアクリーナを介した後、電子制御式スロットル弁３による制御を受けてサージタンク４に流入し、これに接続する吸気マニホールドにおいて各気筒に分配される。なお、本実施形態では、吸入空気の筒内おける旋回流動を形成するため、スワールコントロールバルブ５が設けられている。
【００２９】
燃焼室には、その上部略中央に臨んで点火プラグ６が設置されるとともに、吸気ポートの下側に臨んで燃料噴射手段としての高圧インジェクタ７が設置されている。インジェクタ７は、後述する電子制御ユニットからの制御信号に基づいて開弁駆動し、図示しない燃料ポンプにより圧送された燃料を筒内に直接噴射する。インジェクタ７に供給される燃料は、プレッシャレギュレータにより所定圧力に調整されるように構成される。燃焼により発生した仕事は、ピストン８からコンロッド９を介してクランクシャフト１０に伝わり、回転運動として取り出される。
【００３０】
また、シリンダヘッドには排気管１１が接続されており、排気マニホールドの下流に排気後処理装置（触媒コンバータ）１２が介装されている。ここに備わる触媒としては、理論空燃比近傍で炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の酸化と、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元とを効率良く達成する三元触媒や、ＨＣ及びＣＯを酸化させる酸化触媒が採用される。排気ガスは、排気後処理装置１２を介した後、大気中に放出される。
【００３１】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）２１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェースを含んで構成されるマイクロコンピュータからなり、現状の運転状態を示す指標として、エンジン回転数Ｎｅを検出するためのクランク角センサ３１からの検出信号（単位クランク角信号若しくは基準クランク角信号）、機関冷却水の温度（冷却水温度）Ｔｗを検出するための水温センサ３２からの検出信号、吸入空気量Ｑａを検出するためのエアフローメータ３３からの検出信号、スロットル弁３の開度（ストッロル開度）ＴＶＯを検出するためのスロットルセンサ３４からの検出信号、及び運転者のアクセル操作量（アクセル開度）ＡＰＯを検出するためのアクセルセンサ３５からの検出信号が入力される。アクセルセンサ３５は、アイドルスイッチとしても使用できる。
【００３２】
また、これらに加え、排気管１１には、触媒コンバータ１２の上下流に空燃比センサ３６，３７がそれぞれ設置されており、これらの検出信号もＥＣＵ２１に入力される。上流側空燃比センサ３６には、排気ガス中の特性成分（例えば、酸素）の濃度に応じてリーン若しくはリッチを示す信号を出力するタイプのものや、あるいは空燃比を広範囲に渡って線形的に検出するタイプのものが採用される。下流側空燃比センサ３７には、排気ガス中の特定成分（例えば、酸素）の濃度に応じてリーン若しくはリッチを示す信号を出力するタイプのものを採用するのが好適である。
【００３３】
ＥＣＵ２１は、下流側空燃比センサ３７からの入力信号に基づいて上流側空燃比センサ３６からの入力信号に基づく空燃比フィードバック制御を補正することにより、上流側空燃比センサ３６の劣化等による制御誤差の発生を防止する。なお、このような補償を行わないのであれば、下流側空燃比センサ３７は不要であり、また、空燃比フィードバック制御自体を行わないのであれば、これらの空燃比センサ３６及び３７は共に不要となる。
【００３４】
ＥＣＵ２１は、以上の各種センサからの入力信号に基づいてインジェクタ７を制御し、運転領域毎に設定された所定時期に燃料を噴射させる。具体的には、低負荷及び中負荷域においては圧縮行程に燃料を噴射させ（図２（ａ））、点火プラグ６近傍に可燃混合気を層状に形成して成層燃焼を行わせる。一方、高負荷域においては吸気行程に燃料を噴射させ（同図（ｂ））、筒内全体に混合気をほぼ均一に形成して均質燃焼を行わせる。
【００３５】
また、ＥＣＵ２１は、点火プラグ６を所定時期に作動させて点火動作を行わせるほか、スロットル弁３の駆動装置（直流モータ）４１を制御する。具体的には、アクセル開度ＡＰＯ等に基づいて算出される要求トルクを達成できる位置にスロットル弁３を制御する。
図３は、ＥＣＵ２１により実行される制御のうち、始動時に触媒活性化のために行われる燃焼制御のフローチャートである。
【００３６】
Ｓ（ステップ）１では、キースイッチ３８のイグニッション信号がオンされたか、換言すれば、キーがイグニションオン位置とされたか否かを判定する。イグニションオン位置とされたと判定した場合は、Ｓ２へ進み、イグニッションオン位置とされないうちは、エンジンが停止している状態であるので、何もなされない。
【００３７】
Ｓ２では、キースイッチ３８のスタート信号がオンされたか、換言すれば、キーがスタート位置とされたか否かを判定する。スタート位置とされたと判定した場合は、クランキング要求があるものと判断してＳ３へ進み、スタータモータを駆動してクランキングを行わせるとともに、吸気行程噴射によりエンジンを始動させる。その後、スタート信号がオフされたときに、エンジンが始動したものと判断してＳ４へ進む。なお、クランキング中は、Ｓ１〜３の処理が繰り返される。
【００３８】
Ｓ４では、自立回転維持と、その後の暖機運転継続とのため、吸気行程噴射による均質燃焼が行われる。このときの空燃比は、始動後増量補正係数Ｋａｓによりリッチに制御される。
Ｓ５では、触媒が活性化しているか否かを判定する。この判定は、例えば、後述する図７に示すように、下流側空燃比センサ（酸素センサ）３７が活性化しているか否かを判定することで代替できる。または、冷却水温度Ｔｗ若しくは潤滑油温度等を検出して、触媒又はその出口温度を推定し、その結果に基づいて触媒が活性化したか否かを判定したり、さらに、触媒又はその出口温度を直接検出して判定してもよい。触媒が活性化していないと判定した場合は、Ｓ６へ進み、触媒が活性化していると判定した場合は、触媒活性化のための制御は不要であるので、本ルーチンを終了する（通常の燃焼制御を行う）。
【００３９】
Ｓ６では、ピストン８（特に、その冠面に形成されたボウル部（図２の符号８ａ））の表面温度（冠面温度）に基づいて、成層燃焼への切換えが可能であるか否かを判定する。この判定は、冠面温度が所定温度以上となっているか否かを判定することにより行い、例えば、後述する図９に示すように冠面温度と相関するパラメータである擬似水温Ｔｗｆを採用すると好適である。または、冷却水温度Ｔｗ若しくは潤滑油温度から冠面温度を推定し、その結果に基づいて判定したり、あるいはピストン８にサーモカップルを埋め込んで、冠面温度を直接検出して判定してもよい。そして、上記所定温度は、ピストン冠面を利用した混合気形成（ボウル部８ａにより燃料噴霧を案内する）が良好に達成できる程度の温度に設定する。判定の結果、冠面温度が所定温度以上となっていれば、Ｓ７ヘ進み、所定温度に達していないうちは、ピストン冠面上での気化が促進されずに燃焼安定性に悪影響を与えるため、Ｓ４へ戻り、均質燃焼による運転を継続させる。
【００４０】
Ｓ７では、燃料性状が既に推定されているか否かを判定する。この判定は、後述する図１２に示すようにして行う。なお、燃料性状は、本出願人に係る先願の公開公報（特開２０００−２９７６８９号）に開示された方法により推定するのが好適である。
この方法は、所謂学習制御によるものであり、概略次の通りである。始動時に所定の燃料性状推定・実施許可条件を満足したことをもって学習行為を実施する。そして、この条件成立下で燃料噴射量の変化に対する排気空燃比の応答波形をサンプリングし、入出力データを解析することにより燃料性状を推定する。具体的には、プラントモデルのパラメータを、入出力データに基づいて基準燃料（一般的には、重質燃料）に対するプラントモデルである規範モデルとの予測誤差が最小となるように調整して、使用燃料に対するプラントモデルを同定する。そして、同定したプラントモデルのカットオフ周波数ｆｃRealを算出し、算出したｆｃRealを規範モデルのカットオフ周波数ｆｃRef と比較する。その結果、ｆｃReal＞ｆｃRef であれば、使用燃料が基準燃料よりも軽質であると推定する。
【００４１】
Ｓ７において、フラグ等に基づいて燃料性状推定が終了していると判定した場合は、Ｓ８ヘ進み、終了していないと判定した場合は、Ｓ４へ戻り、均質燃焼による運転を継続させる。なお、燃料性状推定に関しては、上記方法以外にもセンサによる直接検出等、種々の方法を採用できる。
Ｓ８では、成層燃焼（次ステップにおいて述べる排気昇温成層燃焼）の実施許可条件が成立しているか否かを判定する。この判定は、例えば、後述する図１３に示すように、排気昇温成層燃焼を安定して行える（機関運転性を損なうことがない）運転状態にあるか否かを判定することにより行う。条件成立と判定した場合は、Ｓ９へ進み、不成立と判定した場合は、本ルーチンを終了する（通常の燃焼制御を行う）。
【００４２】
Ｓ９では、触媒活性化のために排気温度を上昇させるべく、燃焼形態を均質燃焼から排気昇温成層燃焼に切り換える。具体的には、１燃焼サイクル当たりの吸入空気量で略完全燃焼させることができる燃料（理論空燃比若しくはこれより若干リーンな空燃比の混合気を形成するために必要な燃料）を、圧縮行程に噴射させ、点火プラグ６近傍に理論空燃比よりも若干リッチな空燃比の混合気を形成して、成層燃焼させる。点火プラグ６近傍にこのような燃料濃度の比較的高い混合気が形成されれば本発明の効果が得られるので、燃焼室全体の空燃比としては、１４〜１７程度の範囲内で適宜に選択してよい。なお、噴射時期は、圧縮上死点前５０〜８０°の範囲内で設定する。
【００４３】
Ｓ１０では、Ｓ５で述べたのと同様の方法により触媒が活性化したか否かを判定する。活性化したと判定した場合は、本ルーチンを終了して通常の燃焼制御に移行し、未だ活性化していないと判定した場合は、Ｓ９へ戻り、触媒が活性化するまで排気昇温成層燃焼による運転を継続させる。なお、通常の燃焼制御では、運転状態に応じて燃焼形態を均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼及び成層リーン燃焼の間で切り換え、所望の排気性能、燃費性能及び運転性能（出力、安定性）を達成する。
【００４４】
なお、本制御では、Ｓ６においてピストン８の冠面温度が所定温度未満である場合に成層燃焼への移行を禁止し、燃焼安定性への悪影響を回避したが、触媒活性化を優先させたい場合には、Ｓ５からＳ７ヘ進むようにして、このような処理を省略してもよい。
ここで、後述することとした各種判定について説明する前に、燃料噴射量が燃焼形態に応じていかに演算されるかを説明する。
【００４５】
排気昇温成層燃焼以外の燃焼形態による場合は、燃料噴射量は、概略次のように演算される。
ＥＣＵ２１は、吸入空気量Ｑａ及びエンジン回転数Ｎｅに基づいて目標空燃比に対応する基本燃料噴射パルス幅（基本噴射量）Ｔｐｔを算出する。なお、Ｃは定数である。
【００４６】
Ｔｐｔ＝Ｃ×Ｑａ／Ｎｅ
そして、算出されたＴｐｔを水温補正係数Ｋｗ、始動後増量補正係数Ｋａｓ、空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＤ及び目標空燃比補正係数Ｚ等により補正し、有効燃料噴射パルス幅ＣＴＩを算出する。なお、Ｔｓは無効噴射時間である。
【００４７】
ＣＴＩ＝Ｔｐｔ×（１＋Ｋｗ＋Ｋａｓ＋・・・）×ＬＡＭＤ×Ｚ＋Ｔｓ
式中、ＬＡＭＤは、上流側空燃比センサ３６からの入力信号に基づく空燃比検出結果に応じて比例積分制御等により増減されるものであり、これによってＴｐｔを補正することにより、混合気の空燃比が目標空燃比にフィードバック制御される。なお、排気昇温成層燃焼時などの空燃比フィードバック補正を行わない場合は、ＬＡＭＤは所定値（例えば、１）に固定される。
【００４８】
そして、排気昇温成層燃焼による場合は、燃料噴射量は、次のように演算される。
この場合の有効燃料噴射パルス幅ＣＴＩは、上記噴射量演算式においてＴｐｔに係る補正項（例えば、始動後増量補正係数Ｋａｓ）を変更することにより算出される。そこで、図４に示すフローチャートを参照して、排気昇温成層燃焼時における補正係数Ｋａｓの算出手順について説明する。なお、本ルーチンは、所定時間（例えば、１０ｍｓ）毎にＥＣＵ２１内で実行される。
【００４９】
Ｓ２１では、排気昇温制御の実施が許可されているか否かを判定する。許可されていると判定した場合は、始動後増量補正係数ＫａｓをＮＡＫＡＳに置き換え、これを排気昇温成層燃焼での補正係数とするため、Ｓ２２へ進む。一方、許可されていないと判定した場合は、冷却水温度Ｔｗに応じた通常の始動後増量補正係数Ｋａｓを求める。このとき、Ｋａｓは、Ｔｗが高くなるほど小さな値とされ、目標当量比は、図１４のｔ２〜５に示すように推移する。
【００５０】
Ｓ２２では、水温センサ３２及びクランク角センサ３１からの入力信号に基づいて冷却水温度Ｔｗ及びエンジン回転数Ｎｅを検出する。
Ｓ２３では、冷却水温度Ｔｗに基づいて、図５に示すような傾向を有するマップを参照して始動後増量補正係数の水温補正分ＮＴＫＡＳを読み込む。ＮＴＫＡＳは、概してＴｗが低いときほど大きな値に設定される。低水温時には燃焼室壁面が冷たくなっており、壁面付着燃料成分が気化し難くなっていると判断できるので、点火プラグ６周りに同じ空燃比の混合気を形成するために噴射すべき燃料量が多くなるからである。
【００５１】
また、水温補正分ＮＴＫＡＳは、一定水温に対しても燃料性状に応じて異なる値に設定され、燃料が軽質であるほど小さな値とされる。軽質燃料は重質燃料と比較して揮発性が高く、同じ量を噴射したとしても壁面付着燃料成分が少なくなるので、その分噴射量自体を減らしておき、燃料性状によらず点火プラグ６周りの混合気を同じ空燃比とするためである。
【００５２】
Ｓ２４では、エンジン回転数Ｎｅに基づいて、図６に示すような傾向を有するマップを参照して始動後増量補正係数の回転速度補正分ＮＴＮＫＡＳを読み込む。ＮＴＮＫＡＳは、概してＮｅが低いときほど大きな値に設定される。低回転時には筒内のガス流動が弱くなっており、壁面付着燃料成分が気化し難くなっているため、点火プラグ６周りに同じ空燃比の混合気を形成するために噴射すべき燃料量が多くなるからである。
【００５３】
また、回転速度補正分ＮＴＫＡＳは、一定回転速度においても燃料性状に応じて異なる値に設定され、燃料が軽質であるほど小さな値とされる。軽質燃料の揮発性の高さを考慮して噴射量自体を減らしておき、点火プラグ６周りの混合気を同じ空燃比とするためである。
なお、図５及び６に示したマップを走行中（例えば、アイドル域以外の低負荷域）にのみ使用し、アイドル時には固定値として設定されたＮＴＫＡＳ及びＮＴＮＫＡＳを使用してもよい。
【００５４】
Ｓ２５では、水温補正分ＮＴＫＡＳ及び回転速度補正分ＮＴＮＫＡＳの積ＮＡＫＡＳを算出する。
Ｓ２６では、最新のＮＡＫＡＳを保存する。保存されているＮＡＫＡＳは、排気昇温成層燃焼時における補正係数Ｋａｓとして有効燃料噴射パルス幅ＣＴＩの演算に反映される（Ｋａｓ＝ＮＡＫＡＳ＝ＮＴＫＡＳ×ＮＴＮＫＡＳ）。
【００５５】
さて、以下では、後述することとした各種判定について順次説明することとする。
まず、図７に示すフローチャートを参照して触媒活性判定（図３のＳ５）について説明する。ここで、始動からの酸素センサ出力、触媒出入口温度及び触媒転換率の経時変化を図８に示す。
【００５６】
Ｓ４１では、下流側空燃比センサ（酸素センサ）３７にヒータによる加熱が行われていないか否かを判定する。行われていないと判定した場合は、Ｓ４２ヘ進み、行われていると判定した場合は、本ルーチンを終了する。ヒータによる加熱の影響が大きいため、酸素センサ３７延いては触媒の活性化判定に誤差が生じる惧れがあるからである。
【００５７】
Ｓ４２では、酸素センサ３７が活性化しているか否かを判定する。ここでは、例えば、図８に示すように、酸素センサ３７の出力電圧が初期電圧Ｖ０に維持された状態から所定レベル（Ｖ０＋ｄＶＲ）に達したことをもって、活性化したと判断できる。また、これとは逆に、所定レベル（Ｖ０＋ｄＶＬ）に達したことをもっても活性化したと判断できる。このように出力電圧の変位に基づく方法以外にも、酸素センサ３７の出力がリーン又はリッチ側へ所定回数反転したことを持って活性化したと判断してもよい。触媒が活性化したと判定した場合は、Ｓ４３へ進み、未だ活性化していないと判定した場合は、活性化したと判断するまで同じ判定を繰り返す。
【００５８】
Ｓ４３では、酸素センサ３７が活性化したことをもって触媒が活性化したと判断する。触媒の下流に設置された酸素センサ３７が活性化したのは、触媒出口温度の上昇によるものであり、触媒出口温度の上昇は、ＨＣ等の特定排気成分の酸化が促進される状態に至ったことにより、排気温度が上昇したことによるものだからである。
【００５９】
Ｓ４４では、酸素センサ３７のヒータに通電して、このセンサを適正温度域に保持するための制御を開始する。
次に、図９に示すフローチャートを参照して成層燃焼切換許可判定（図３のＳ６）について説明する。ここでは、前述の通り、ピストン８の冠面温度と相関する擬似水温Ｔｗｆに基づいて判定しており、始動からの冷却水温度Ｔｗ及び擬似水温Ｔｗｆの経時変化を図１０に示す。
【００６０】
Ｓ５１では、擬似水温Ｔｗｆを算出する。Ｔｗｆは、イグニッション信号がオンされてからの経過時間ｔの関数として下式により推定演算される。すなわち、始動時水温Ｔｗ［０］に応じた初期値Ｔｗｆ［０］から始まって、吸入空気量Ｑａに応じて単位時間毎に求められる遅れ補正係数Ｋｔｗｆずつ一次遅れで現状の冷却水温度Ｔｗ［ｔ］に向かって収束する。ここで、Ｔｗｆ［０］は、Ｔｗ［０］に基づいて図１０（ａ）に示すマップにより、またＫｔｗｆは、Ｑａに基づいて同図（ｂ）に示すマップから、それぞれ読み込まれる。
【００６１】
Ｔｗｆ［ｔ］＝Ｔｗ［ｔ］−（Ｔｗ［ｔ］−Ｔｗｆ［ｔ−１］）×（１−Ｋｔｗｆ）
Ｓ５２では、擬似水温Ｔｗｆ［ｔ］が所定温度Ｔｗｆ１以上であるか否かを判定する。Ｔｗｆ１以上であると判定した場合は、Ｓ５３へ進み、冠面温度が所定温度以上となったと判断する。一方、Ｔｗｆ１に達しないうちは、Ｓ５１へ戻り、新たに算出された擬似水温Ｔｗｆ［ｔ］について同様の判定を繰り返す。
【００６２】
次に、図１２に示すフローチャートを参照して燃料性状推定終了判定（図３のＳ７）について説明する。
Ｓ６１では、スタータモータが駆動されてエンジン回転数が所定回転数以上となり、その後、スタート信号がオフされた（キーは、イグニッションオン位置にある）か否かを判定する。スタート信号がオフされないうちはクランキング中であるので、燃料性状推定は行われない。従って、この場合は、本ルーチンを終了する。
【００６３】
Ｓ６２では、完爆したか否かを判定する。完爆するまでは燃料性状推定は行われない。
Ｓ６３では、各種センサからの入力信号が正常であるか否かを判定する。異常がある場合は燃料性状推定は行われない。
Ｓ６４では、燃料カット中でなく、通常の燃料噴射演算が実行されているか否かを判定する。燃料カット中（減速時、スロットル弁３の全閉時等）であると判定された場合は、燃料性状推定は行われない。
【００６４】
以上の判定の結果、キーがイグニッションオン位置にあり（Ｓ６１）、完爆が済み（Ｓ６２）、いずれのセンサ信号にも異常がなく（Ｓ６３）、かつ燃料カット中でない（Ｓ６４）場合にのみ、Ｓ６５へ進む。
Ｓ６５では、燃料性状推定が済んだことを示すフラグＦＬＧに１を代入し、本ルーチンを終了する。
【００６５】
次に、図１３に示すフローチャートを参照して排気昇温制御・実施許可判定（図３のＳ８）について説明する。
Ｓ７１では、各種センサからの入力信号に基づいて冷却水温度Ｔｗ、エンジン回転数Ｎｅ、トルクＴｑ及び吸入空気量Ｑａを検出する。
Ｓ７２では、各検出値をＥＣＵ２１内に内蔵されているＲＡＭの記憶値と比較し、それらのいずれもが安定した排気昇温成層燃焼のための設定範囲内にあるか否かを判定する。設定範囲内にあると判定した場合は、Ｓ７３において排気昇温成層燃焼の実施を許可する一方、設定範囲内にないと判定した場合は、Ｓ８４においてこれを禁止する。本実施形態において排気昇温成層燃焼の実施が許可されるのは、運転状態がアイドル域か又はアイドル域以外の低負荷域にあるときとする。
なお、本実施形態では、燃焼形態を均質燃焼から排気昇温成層燃焼に切り換える際に、目標空燃比を理論空燃比（１４．７）から、これよりも若干希薄側の値（例えば、１６）に切り換えることとし、この切換直後において、目標空燃比を本来の値（すなわち、１６）よりも多少低めに設定するとともに、所定の変化率をもってこの本来の値に徐々に移行させて、有効燃料噴射パルス幅ＣＴＩを算出する。
【００６６】
次に、本実施形態に係る燃焼制御の動作について、図１４に示すタイムチャートを参照して説明する。同チャートは、始動から暖機までの燃焼形態の遷移に対照して点火時期、スワールコントロールバブル５の開度、目標当量比及びエンジン回転数の経時変化を示している。
本実施形態によれば、時刻ｔ０においてスタート信号がオンされると、エンジンのクランキングが行われ、そのときの回転に合わせて点火時期が徐々に進角される。そして、時刻ｔ１において完爆が済んでスタート信号がオフされると、点火時期は、冷却水温度Ｔｗ及びエンジン回転数Ｎｅに対応して設定された所定時期に固定される。
【００６７】
目標当量比は、始動時から、安定性のために冷却水温度Ｔｗに応じて理論空燃比相当よりもリッチ側に補正設定される。そして、暖機運転に移ると、この燃料増量分は、Ｔｗの上昇に従って徐々に減少される。
時刻ｔ２において燃料性状推定が終了したことが判定され（フラグＦＬＧに１が代入され）、さらに時刻ｔ３においてピストン８の冠面温度が所定温度以上にまで上昇したことが判定されると、排気昇温成層燃焼への切換えが許可される。これを受けてスワールコントロールバルブ５が全閉位置に駆動され（これに対応して点火時期が遅角される）、時刻ｔ４においてスワールコントロールバルブ５が全閉したことが判定されると、時刻ｔ５において燃焼形態が均質燃焼から排気昇温成層燃焼に切り換えられる。このとき、燃料噴射時期が圧縮行程（圧縮上死点前５０〜８０°）に変更されることに対応して点火時期が遅角される。
【００６８】
時刻ｔ５からの排気昇温成層燃焼では、目標当量比は、燃焼室全体で理論空燃比若しくはそれよりも若干高い程度に設定される。但し、始動後増量補正係数Ｋａｓ（＝ＮＡＫＡＳ）が上記のように設定される結果、目標当量比は、燃料性状に応じて異なる値とされ、これが軽質であるときほど低く、すなわち、燃料噴射量が減量される。ここで、本実施形態によれば、冷却水温度Ｔｗも目標当量比の設定に寄与するが、簡潔さのため、ここではＴｗの変化により生じる動きは表していない。
【００６９】
このような当量比設定により、点火時期において点火プラグ６近傍には、空燃比が理論空燃比よりも若干低いだけの混合気が形成される。従って、点火プラグ６近傍では燃料が燃焼し切らず、未燃ＨＣ及びＣＯ等の不完全燃焼生成物が生成されるが、これらの生成物の発生量は適量であり、筒内に残っている酸素と後反応して燃焼し切る。そして、このときに発生する熱により燃焼ガスが加熱され、排気温度が上昇される。
【００７０】
排気昇温成層燃焼により排気温度が高温に維持される間に、触媒が速やかに昇温され、時刻ｔ６において活性化したことが判定されると、時刻ｔ７において通常の燃焼制御（ここでは、均質ストイキ燃焼）に移行する。そして、これに対応して点火時期が進角される。但し、触媒活性前であっても、アクセルが大きく踏み込まれた場合は、運転性能を確保するため、その時点で通常の燃焼制御に移行する。
【００７１】
燃焼形態の移行を受けてスワールコントロールバルブ５が全開位置に向けて駆動されると、それに対応して点火時期が進角される。
図１５及び１６は、本実施形態に係る燃焼制御による効果を示すタイムチャートである。
図１５は、始動からの排気温度、ＨＣ排出量、吸入空気量及びエンジン回転数の経時変化を示している。本実施形態による場合（実線Ａ）との比較のため、均質燃焼のみにより暖機を行う場合を点線Ｂで示した。
【００７２】
同図から明らかなように、排気昇温成層燃焼への切換えによって高温の排気ガスが得られるため、触媒を活性温度にまでより速やかに加熱し、活性化に要する時間を短縮できる。
また、ＨＣ排出量については、切換直後において一時的に増大するものの、その後は一様に低減される。このため、暖機期間全体に渡って考えれば、大幅な削減が可能と言える。
【００７３】
一方、燃費については、均質燃焼のみによる場合と比較して若干の悪化が見られる（吸入空気量の増大として現れている）ものの、複段噴射を行う場合よりは改善される。
図１６は、同じ量の燃料を噴射した場合に点火プラグ６周りに形成される混合気の空燃比を、燃料性状に応じて示している。図中、実線Ａは重質燃料による場合であり、また点線Ｂは軽質燃料による場合である。
【００７４】
機関制御系統は、燃焼を重質とした場合に適合させて設計されるのが一般的である。ところが、このような設計において、給油等により実際に貯蔵されている燃料が設定よりも軽質となると、燃料の揮発性の高さに起因して点火プラグ６周りの空燃比が低くなり、リッチ限界を超えて失火を来す惧れがある。
本実施形態によれば、燃料性状に応じて燃料噴射量を補正することにより、点火プラグ６周りの混合気形成を厳密に制御できるので、どのような性状の燃料を使用する場合であっても点火プラグ６周りの空燃比を常に適正域に（Ａで示す位置に）制御でき、燃焼安定性を損なうことがない。
【００７５】
本実施形態では、排気昇温成層燃焼への燃焼形態の切換直後において、目標空燃比を本来の値よりも多少低めに設定し、所定の変化率をもってこの本来の値に徐々に移行させることとする。
【００７６】
図１７は、その一例を示している。本実施形態では、燃焼形態の切換えに際して、始動後増量補正係数Ｋａｓにより目標当量比がリッチ（１より大）とされている場合に、まず、所定当量比（ここでは、理論空燃比相当（＝１））ヘ制御し、ここから、排気昇温成層燃焼のための本来の目標当量比にまで徐々に変化させるとともに、その際の変化率ｄＦ／Ａを切換時の冷却水温度Ｔｗに応じて変更する。すなわち、Ｔｗが低く、暖機がそれほど進んでいない状態で切り換えられた場合は、燃焼室が充分に暖まるまでに相当の時間を要すると考えられるので、Ｔｗが高い場合と比較してｄＦ／Ａを小さな値に設定し、時間をかけて目標当量比に移行させるのである。暖機が進んでいないと、壁面付着燃料成分が気化し難いため、その状態で目標当量比が一気に減少されると、点火プラグ６周りの燃料濃度が過度に低くなる可能性があるからである。そして、このようにＴｗに基づく速さで移行する目標当量比に対応する基本噴射量に対して、燃料性状に応じた補正がなされ（図５）、燃料が軽質であるときほど減量されることとなる。
【００７７】
また、他の例を図１８に示している。ここでは、燃焼形態の切換時に、その時の冷却水温度Ｔｗに応じて目標当量比を減少させ、Ｔｗが低いときほど高い値から最終値へ下降させる。最終値を基準とした増量分をＤとし、切換時の燃焼室温度によらず切換えから一定サイクルｎ経過後に燃焼室が暖まるものとすれば、制御周期毎の変化率Ｄ／ｎは、Ｔｗが低いときほど大きな値に設定される。この方法によれば、切換時及びその直後において、燃焼室が充分に暖まっていないことにより点火プラグ６周りの燃料濃度が過度に低くなることを防止できる。
【００７８】
また、以上では、始動から暖機にかけての制御について説明したが、本実施形態に係る排気昇温成層燃焼は、この場合に加え、運転中に触媒温度が活性温度域を外れる事態を防止するために行うことも可能である。
そのためには、例えば、センサ出力を監視して排気温度が低くなる運転状態が所定時間以上継続したことを検出し、これが検出された時に排気昇温成層燃焼を安定して行えるようであれば、排気昇温成層燃焼に切り換えて触媒を加熱する。そして、触媒が充分に暖められたことが切換後の経過時間等に基づいて判定されたことをもって、通常の燃焼制御に復帰させればよい。
【００７９】
以上の説明では、排気昇温成層燃焼時において噴射量演算式の空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＤを１に固定し、燃料噴射量をオープン制御したが、ＬＡＭＤを機能させて、目標空燃比へのフィードバック制御を行うとともに、このときの噴射量演算式に燃料性状を反映させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る直噴式火花点火機関の構成図
【図２】燃焼形態に応じた燃料噴射の概念図
【図３】本発明の一実施形態に係る燃焼制御ルーチンのフローチャート
【図４】排気昇温制御用・始動後増量補正係数Ｋａｓ（ＮＡＫＡＳ）算出ルーチンのフローチャート
【図５】同上補正係数水温補正分ＮＴＫＡＳの設定マップ
【図６】同上補正係数回転速度補正分ＮＴＮＫＡＳの設定マップ
【図７】触媒活性判定ルーチンのフローチャート
【図８】暖機時における触媒下流側空燃比センサ出力、触媒上下流温度及び転換率の変化を示すタイムチャート
【図９】ピストン冠面温度上昇判定ルーチンのフローチャート
【図１０】擬似水温算出用パラメータの設定マップ
【図１１】暖機時における冷却水温度及び擬似水温の変化を示すタイムチャート
【図１２】燃料性状推定終了判定ルーチンのフローチャート
【図１３】排気昇温制御・実施許可判定ルーチンのフローチャート
【図１４】本発明の一実施形態に係る燃焼制御の動作を示すタイムチャート
【図１５】同上制御による効果の説明図（排気特性）
【図１６】同上制御による効果の説明図（点火プラグ周りの空燃比）
【図１７】燃焼形態切換直後の目標空燃比設定の一例を示す概念図
【図１８】同上目標空燃比設定の他の例を示す概念図
【符号の説明】
１…エンジン本体
２…吸気管
３…スロットル弁
５…スワールコントロールバルブ
６…点火プラグ
７…インジェクタ
１１…排気管
１２…触媒コンバータ
２１…ＥＣＵ（電子制御ユニット）
３１…クランク角センサ
３２…水温センサ
３３…エアフローメータ
３４…スロットルセンサ
３５…アクセルセンサ
３６，３７…空燃比センサ
３８…スタートスイッチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a direct-injection spark ignition engine, and in particular, for heating an exhaust aftertreatment catalyst of this type of internal combustion engine to an activation temperature by exhaust gas or maintaining the same at an activation temperature. It relates to combustion control.
[0002]
[Prior art]
Currently, a direct injection spark ignition engine that directly injects fuel into a combustion chamber and ignites and burns the fuel consumption and output are both compatible. In this type of internal combustion engine, the combustion mode is generally switched in accordance with the operating state. That is, the fuel is diffused into the combustion chamber by injecting it into the intake stroke, and the homogeneous combustion is formed by uniformly forming the air-fuel mixture, and the fuel is injected into the compression stroke to be locally distributed near the spark plug and mixed. This is stratified combustion performed by forming a gas in layers.
[0003]
Even in such a direct injection spark ignition engine, a catalyst device is provided in the exhaust passage in order to suppress the release of harmful exhaust components into the atmosphere. Then, the catalyst does not function effectively unless it is in an appropriate temperature range where the catalyst is in an active state, and harmful exhaust components flow down without being purified. Therefore, it is important to keep the catalyst in this temperature range. Therefore, at the time of cold start after a long-term stop or when the catalyst temperature falls outside the appropriate temperature range due to the continued operation state with a low exhaust temperature, the catalyst is heated and the temperature is quickly raised to the appropriate temperature range. It is necessary to let In particular, at the time of cold start, since a slightly larger amount of fuel is injected in order to make the air-fuel ratio of the air-fuel mixture around the spark plug substantially constant, the catalyst is activated early, and the harmful exhaust components flow down quickly. The need to deter from the stage is even higher.
[0004]
In response to such demands, various types have been proposed that utilize the features of the direct injection type.
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 10-169488, by performing compression stroke injection in which the air-fuel ratio of the entire combustion chamber is slightly lean from the stoichiometric air-fuel ratio under a catalyst temperature increase request, and by greatly delaying the injection timing, A method is disclosed in which stratified combustion is performed with the air-fuel mixture in the vicinity of the spark plug being in an overrich state (8 to 10 in the air-fuel ratio).
[0005]
Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-240485, stratified combustion is performed with a slightly lean air-fuel ratio of the entire combustion chamber under a catalyst temperature increase request, and at the time of cold start, before the transition to stratified combustion, an expansion stroke is performed. Discloses a method in which the temperature of the catalyst is raised to some extent in advance by performing post injection.
All of these known techniques cause incomplete combustion by making the fuel thicker than normal stratified combustion near the spark plug, and the resulting unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) are produced. The catalyst is heated by using heat generated when post-reacting with the remaining oxygen.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, if an overrich air-fuel mixture is formed according to the former method, incomplete combustion products such as HC are not completely burned out, and some of them may be released as harmful exhaust components. Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-169488 discloses that a part of fuel is pre-injected in an intake stroke as an incidental means for generating an ignition inducer that promotes a post reaction. By taking such measures, it will be possible to obtain the effect of suppressing the release of harmful exhaust components, but in this case, there is another problem that the fuel consumption deteriorates. If the air-fuel mixture is formed in layers by the preceding injection and there is a difference in fuel concentration between the vicinity of the spark plug and the vicinity of the combustion chamber wall surface, a larger amount of fuel is required to obtain a constant torque due to a decrease in combustion efficiency. Because. As a conclusion, the catalyst can be heated by the post reaction of the incomplete combustion product, but in this case, the multistage injection is not preferable in terms of efficiency, and even if the fuel is concentrated near the spark plug for the post reaction, It is thought that it is necessary to suppress to an appropriate air-fuel ratio.
[0007]
On the other hand, according to the latter method, since the injection timing is not retarded so much, an air-fuel mixture in which the air-fuel ratio becomes overrich is not formed, and it is considered that there is no problem in exhaust performance as described above. However, since the fuel property is not taken into consideration at the time of the compression stroke injection, the following problems still remain even when this method is adopted. Since the fuel properties vary somewhat from one fueling station to another, fuel of the same property is not always supplied. In addition, engine control systems are typically designed to fit heavy fuels. For this reason, if the fuel stored in the tank is lighter than the setting and the injection is performed according to the setting for the heavy fuel in a state where the volatility of the fuel is high, the fuel around the spark plug becomes excessively thick. As a result, combustion may not be established (fire may be lost). Such a tendency becomes a problem particularly at the time of cold start in which a difference in the vaporization characteristics of the fuel according to the property appears remarkably. According to the above Japanese Patent Laid-Open No. 2000-240485, since it is switched to the compression stroke injection in a state where the warm-up has progressed to some extent by post injection, the problem of misfire will be avoided, but the fuel that does not contribute to the engine output Since the fuel is injected, the fuel efficiency is deteriorated accordingly.
[0008]
An object of the present invention is to use exhaust gas to activate a catalyst or to maintain the active state of the catalyst, and in particular, at this time, it prevents emission of harmful exhaust components and realizes low fuel consumption. In the point.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the first aspect of the invention, the control device for the direct injection spark ignition engine includes (A) fuel injection means for directly injecting fuel into the cylinder, and (B) the specific operation conditionsFuel injectionMeans for injecting fuel into the compression stroke to perform stratified combustion, (C) fuel property estimating means for estimating fuel property, and (D) determining whether or not the exhaust gas temperature should be raised The exhaust temperature rise requirement establishment determining means is configured to be included. When it is determined by the exhaust temperature increase requirement establishment determining means that the exhaust temperature is in a condition to be increased, BurningThe fuel injection amount that makes the air-fuel ratio of the entire firing chamber the stoichiometric air-fuel ratio or a slightly leaner side than this,The basic injection amount corresponding to the target air-fuel ratio at that time isCorrection is made according to the fuel property estimated by the fuel property estimating means, and the calculated fuel injection amount is injected in the compression stroke to perform stratified combustion.(Combustion control means).
[0010]
BookThe invention performs stratified combustion in which the air-fuel ratio of the entire combustion chamber is set lower than usual in order to raise the exhaust temperature, and in such stratified combustion, the fuel properties are reflected in the calculation process of the fuel injection amount. Is the gist. According to the above configuration, the air-fuel ratio around the spark plug can be accurately controlled to be slightly lower than the theoretical air-fuel ratio. For this reason, incomplete combustion products such as unburned HC are generated by stratified combustion, but this can be post-reacted with oxygen remaining in the cylinder and burned out. Further, the exhaust temperature is raised by the heat generated at this time. In the present specification, stratified combustion performed by adjusting the air-fuel ratio as described above in order to raise the exhaust gas temperature is particularly referred to as “exhaust temperature stratified combustion”.
Further, in the first aspect of the invention, when the engine is started, the homogeneous combustion is first performed, and the predetermined condition including that the exhaust temperature should be increased is satisfied. Directly switch to exhaust-temperature stratified combustion (without operation), and set a target air-fuel ratio transition period immediately after switching from homogeneous combustion to exhaust-temperature stratified combustion. In this transition period, after the target air-fuel ratio transition is completed The fuel injection amount was calculated by setting it lower than the above.
Considering the case of the cold start, when the combustion chamber is further warmed by switching to the exhaust temperature stratified combustion, the fuel (wall surface attached fuel component) attached to the combustion chamber wall is easily vaporized. However, if this is not yet sufficiently warm, the fuel component adhering to the wall surface is difficult to vaporize, and there is a possibility that the air-fuel ratio around the spark plug will deviate from an appropriate range. Therefore, a period (transition period) in which the target air-fuel ratio is lowered immediately after switching is provided, and a large amount of fuel is injected during that period.
Further, during the transition period, the target air-fuel ratio is increased with a predetermined rate of change according to the coolant temperature, and the coolant temperature is higher than the target air-fuel ratio during transition when a certain control cycle has elapsed after switching. I decided to give it a large value.
In the invention according to
In the invention according to
[0011]
Claim4In the invention described in, when it is necessary to heat the exhaust aftertreatment catalyst interposed in the exhaust passage, it is determined that the exhaust temperature is in a condition to be raised.
[0015]
Claim5In the invention described in the above, the exhaust-temperature stratified combustion is permitted only when the estimation by the fuel property estimating means is completed.
Claim6In the invention described in the above, the exhaust temperature stratified combustion is permitted only when it is determined that the piston crown surface temperature (crown surface temperature) is equal to or higher than a predetermined temperature indicating a high temperature state.
This is because in the stratified combustion, the piston crown surface is actively used for transporting the fuel spray, and as long as the crown surface temperature is low beyond the appropriate range, the air-fuel mixture is difficult to be formed well.
[0016]
Claim7In the invention described in (1), the fuel injection amount is corrected to be reduced largely as the fuel is lighter according to the estimated fuel property.
If the fuel is light, the volatility is high and it is easy to vaporize.Therefore, by injecting a small amount of fuel compared to the case of using heavy fuel, the air-fuel ratio around the spark plug is always kept within the appropriate range. is there.
[0017]
Claim8In the invention described in
This is because when the engine is rotating at a low speed, the gas flow in the cylinder is weak and the fuel is difficult to vaporize.
Claim10In the invention described in, the correction amount corresponding to the fuel property is set.Cooling waterTo be determined based on temperature, and claims11In the invention described in, the fuel injection amount is increased as the cooling water temperature is lower in accordance with the correction amount.
[0018]
Claim12In the invention described in (4), correction according to the fuel properties is performed.FeeThis was done during the open control of the injection amount.
Claim13In the invention described in the above, the correction according to the fuel property is performed during the feedback control of the fuel injection amount.
[0019]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the fuel injection amount is corrected in accordance with the fuel properties when performing the exhaust-temperature stratified combustion, so that the air-fuel mixture around the spark plug (the air-fuel mixture around the plug) is the fuel property. Regardless of the difference, the air-fuel ratio can always be controlled appropriately. For this reason, misfire due to the air-fuel ratio around the spark plug deviating from the appropriate range (mainly excessive fuel concentration) and the release of harmful exhaust components due to over-riching of the air-fuel mixture are prevented. it can.
[0020]
In addition, since the air-fuel mixture around the plug is strictly controlled in consideration of the fuel properties, the amount of incomplete combustion products (determined by the fuel injection amount) is suppressed to the minimum necessary for raising the exhaust temperature and ignition is performed. Even if there is no inducer or the like, the post reaction can be completed satisfactorily. For this reason, the fuel injection amountButReduction (especially when light fuel is used)And laterLow fuel consumption can be realized because multistage injection is not required for reaction.
Furthermore, when the engine is started, homogeneous combustion is first performed, and when the predetermined condition is satisfied, the engine is directly switched from homogeneous combustion to exhaust-temperature stratified combustion, so that the entire engine, particularly the exhaust aftertreatment catalyst, can be warmed up with low fuel consumption. .
Here, immediately after switching to exhaust gas temperature-stratified combustion, a period (transition period) in which the target air-fuel ratio is set lower is provided, so that the air-fuel ratio around the spark plug is prevented from rising outside the appropriate range. Further, during this transition period, the target air-fuel ratio can be set to follow the progress of warming up of the combustion chamber by increasing the target air-fuel ratio with a predetermined rate of change according to the coolant temperature.
According to the second aspect of the invention, the predetermined rate of change is set based on the engine temperature, so that it can be easily adapted to the warm-up state of the combustion chamber.
According to the third aspect of the present invention, the rate of change is increased as the coolant temperature as the engine temperature is higher, and the switching is completed quickly, so that the fuel injection amount becomes excessive when the temperature becomes high. The mixture around the plug can be prevented from becoming excessively thick.
[0021]
Claim4According to the invention, the exhaust aftertreatment catalyst is activated immediately after starting, and can be maintained at the activation temperature after being activated.
[0024]
Claim5According to the invention according to the present invention, the exhaust gas temperature stratified combustion is not performed before the fuel property estimation is completed, so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture around the plug varies from an appropriate value by correction based on an inaccurate fuel property. Therefore, it is possible to prevent the combustion from becoming unstable.
Claim6According to the invention, the mixture around the plug can be satisfactorily formed by utilizing the piston crown surface by performing exhaust temperature stratified combustion after the crown surface temperature reaches a high temperature state.
[0025]
Claim7In accordance with the invention, the lighter the fuel, the larger the fuel injection amount is corrected to decrease, so that the fuel injection amount is increased or decreased according to the difference in volatility, and the air-fuel ratio of the mixture around the plug is always in the appropriate range. Can hold.
Claim8According to the invention, the fuel injection amount can be corrected corresponding to the gas flow speed by determining the correction amount based on the engine speed. In particular, the claims9By increasing the fuel injection amount when the engine speed is lower, that is, when the gas flow is underdeveloped, the wall-attached fuel component that does not evaporate is compensated for and the air-fuel ratio of the mixture around the plug is further increased. It can be controlled accurately.
[0026]
Claim10According to the invention according toCooling waterBy determining based on the temperature, the fuel injection amount can be corrected in accordance with the warm-up state. In particular, the claims11According to the invention according to the invention, the air-fuel ratio of the mixture around the plug is further increased by increasing the fuel injection amount as the cooling water temperature is lower, i.e., when the warm-up is not progressing and the wall-attached fuel component is difficult to vaporize. It can be controlled accurately.
[0027]
Claim12According to the invention, the correction according to the fuel property is performed during the open control of the combustion injection amount, whereby the variation in the air-fuel ratio with respect to the stored value due to the difference in the fuel property can be compensated.
Claim13According to the invention according to the present invention, the target air-fuel ratio can be accurately achieved by performing the correction according to the fuel property during the feedback control of the fuel injection amount. Alternatively, the oxygen necessary for the after-reaction of the incomplete combustion product can be ensured accurately.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration of a direct injection spark ignition engine (engine) according to an embodiment of the present invention. An
[0029]
In the combustion chamber, a
[0030]
An
[0031]
The electronic control unit (ECU) 21 includes a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, an A / D converter, and an input / output interface, and detects the engine speed Ne as an index indicating the current operating state. Detection signal from the crank angle sensor 31 (unit crank angle signal or reference crank angle signal), detection signal from the
[0032]
In addition to these, air-
[0033]
The
[0034]
The
[0035]
Further, the
FIG. 3 is a flowchart of the combustion control performed for catalyst activation at the start of the control executed by the
[0036]
In S (step) 1, it is determined whether or not the ignition signal of the
[0037]
In S2, it is determined whether or not the start signal of the
[0038]
In S4, homogeneous combustion is performed by intake stroke injection in order to maintain the self-sustaining rotation and continue the warm-up operation thereafter. The air-fuel ratio at this time is controlled to be rich by the post-startup increase correction coefficient Kas.
In S5, it is determined whether or not the catalyst is activated. This determination can be replaced by determining whether or not the downstream air-fuel ratio sensor (oxygen sensor) 37 is activated, for example, as shown in FIG. Alternatively, the cooling water temperature Tw or the lubricating oil temperature is detected, the catalyst or its outlet temperature is estimated, and it is determined whether or not the catalyst has been activated based on the result, and further, the catalyst or its outlet temperature. May be detected and detected directly. If it is determined that the catalyst is not activated, the process proceeds to S6. If it is determined that the catalyst is activated, control for catalyst activation is unnecessary, and thus this routine is terminated (normal combustion). Control).
[0039]
In S6, it is determined whether or not switching to stratified combustion is possible based on the surface temperature (crown surface temperature) of the piston 8 (particularly, the bowl portion (
[0040]
In S7, it is determined whether or not the fuel property has already been estimated. This determination is performed as shown in FIG. The fuel properties are preferably estimated by the method disclosed in the prior publication of the present applicant (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-297689).
This method is based on so-called learning control, and is roughly as follows. The learning action is carried out when the predetermined fuel property estimation / permission permitting conditions are satisfied at the start. Then, under this condition, the response waveform of the exhaust air / fuel ratio with respect to the change in the fuel injection amount is sampled, and the fuel properties are estimated by analyzing the input / output data. Specifically, the parameters of the plant model are adjusted based on the input / output data so that the prediction error from the reference model (generally heavy fuel) with respect to the reference model that is a plant model is minimized, Identify the plant model for the fuel used. And the cut-off frequency fc of the identified plant modelReal, Calculated fcRealThe cut-off frequency fc of the reference modelRefCompare with As a result, fcReal> FcRefIf so, it is estimated that the fuel used is lighter than the reference fuel.
[0041]
If it is determined in S7 that the fuel property estimation has been completed based on the flag or the like, the process proceeds to S8. If it is determined that the fuel property estimation has not been completed, the process returns to S4 and the operation by homogeneous combustion is continued. In addition to the above method, various methods such as direct detection by a sensor can be adopted for the fuel property estimation.
In S8, it is determined whether or not an execution permission condition for stratified combustion (exhaust temperature stratified combustion described in the next step) is satisfied. This determination is performed, for example, by determining whether or not the engine is in an operating state in which exhaust-temperature stratified combustion can be performed stably (the engine operability is not impaired) as shown in FIG. If it is determined that the condition is satisfied, the process proceeds to S9. If it is determined that the condition is not satisfied, this routine is terminated (normal combustion control is performed).
[0042]
In S9, the combustion mode is switched from homogeneous combustion to exhaust temperature stratified combustion in order to increase the exhaust temperature for catalyst activation. Specifically, a fuel that can be burned substantially with the amount of intake air per combustion cycle (a fuel required to form a stoichiometric air-fuel ratio or a slightly leaner air-fuel mixture) is compressed into a compression stroke. The air-fuel mixture is slightly richer than the stoichiometric air-fuel ratio in the vicinity of the
[0043]
In S10, it is determined whether or not the catalyst is activated by the same method as described in S5. If it is determined that it has been activated, the routine is terminated and the routine shifts to normal combustion control. If it is determined that the routine has not yet been activated, the process returns to S9, and exhaust gas temperature-stratified combustion is performed until the catalyst is activated. Continue driving. In normal combustion control, the combustion mode is switched between homogeneous stoichiometric combustion, homogeneous lean combustion, and stratified lean combustion in accordance with the operating conditions to achieve the desired exhaust performance, fuel efficiency performance, and operational performance (output, stability). To do.
[0044]
In this control, when the crown surface temperature of the
Here, before explaining various determinations to be described later, it will be described whether the fuel injection amount is calculated according to the combustion mode.
[0045]
In the case of a combustion mode other than exhaust temperature stratified combustion, the fuel injection amount is calculated as follows.
The
[0046]
Tpt = C × Qa / Ne
Then, the calculated Tpt is corrected by the water temperature correction coefficient Kw, the post-startup increase correction coefficient Kas, the air / fuel ratio feedback correction coefficient LAMD, the target air / fuel ratio correction coefficient Z, and the like to calculate the effective fuel injection pulse width CTI. Ts is an invalid injection time.
[0047]
CTI = Tpt × (1 + Kw + Kas +...) × LAMD × Z + Ts
In the equation, LAMD is increased or decreased by proportional-integral control or the like according to the air-fuel ratio detection result based on the input signal from the upstream air-
[0048]
In the case of exhaust temperature stratified combustion, the fuel injection amount is calculated as follows.
The effective fuel injection pulse width CTI in this case is calculated by changing a correction term related to Tpt (for example, the post-startup increase correction coefficient Kas) in the injection amount calculation formula. A procedure for calculating the correction coefficient Kas during exhaust temperature stratified combustion will be described with reference to the flowchart shown in FIG. This routine is executed in the
[0049]
In S21, it is determined whether or not the exhaust gas temperature raising control is permitted. If it is determined that it is permitted, the post-startup increase correction coefficient Kas is replaced with NAKAS, and the process proceeds to S22 in order to use this as the correction coefficient in the exhaust temperature stratified combustion. On the other hand, when it is determined that it is not permitted, a normal post-startup increase correction coefficient Kas corresponding to the coolant temperature Tw is obtained. At this time, Kas is set to a smaller value as Tw becomes higher, and the target equivalent ratio changes as indicated by t2 to 5 in FIG.
[0050]
In S22, the coolant temperature Tw and the engine speed Ne are detected based on the input signals from the
In S23, the water temperature correction amount NTKAS of the post-startup increase correction coefficient is read with reference to a map having a tendency as shown in FIG. 5 based on the cooling water temperature Tw. NTKAS is generally set to a larger value as Tw is lower. Since the combustion chamber wall surface is cold at low water temperature and it can be determined that the fuel component adhering to the wall surface is difficult to vaporize, the amount of fuel to be injected to form an air-fuel mixture with the same air-fuel ratio around the
[0051]
Further, the water temperature correction amount NTKAS is set to a different value depending on the fuel property even for a constant water temperature, and is set to a smaller value as the fuel is lighter. Light fuel has higher volatility than heavy fuel, and even if the same amount is injected, the amount of fuel adhering to the wall surface is reduced. This is because the air-fuel ratio is made the same.
[0052]
In S24, based on the engine speed Ne, the rotational speed correction amount NTNKAS of the post-startup increase correction coefficient is read with reference to a map having a tendency as shown in FIG. NTNKAS is generally set to a larger value as Ne is lower. Since the gas flow in the cylinder is weak at low rotation and the fuel component adhering to the wall is difficult to vaporize, the amount of fuel to be injected is large in order to form the same air-fuel mixture around the
[0053]
Further, the rotational speed correction amount NTKAS is set to a different value according to the fuel property even at a constant rotational speed, and is made smaller as the fuel is lighter. This is because the injection amount itself is reduced in consideration of the high volatility of the light fuel, and the air-fuel ratio around the
Note that the maps shown in FIGS. 5 and 6 may be used only during traveling (for example, a low load region other than the idle region), and NTKAS and NTNKAS set as fixed values may be used during idling.
[0054]
In S25, a product NAKAS of the water temperature correction amount NTKAS and the rotation speed correction amount NTNKAS is calculated.
In S26, the latest NAKAS is stored. The stored NAKAS is reflected in the calculation of the effective fuel injection pulse width CTI as the correction coefficient Kas during exhaust temperature stratified combustion (Kas = NAKAS = NTKAS × NTNKAS).
[0055]
In the following, various determinations to be described later will be sequentially described.
First, the catalyst activity determination (S5 in FIG. 3) will be described with reference to the flowchart shown in FIG. Here, FIG. 8 shows changes with time in the oxygen sensor output, the catalyst inlet / outlet temperature, and the catalyst conversion rate from the start.
[0056]
In S41, it is determined whether the downstream air-fuel ratio sensor (oxygen sensor) 37 is not heated by the heater. If it is determined that it has not been performed, S42If it is determined that the process is being performed, this routine is terminated. This is because the influence of heating by the heater is large, and there is a possibility that an error may occur in the activation determination of the
[0057]
In S42, it is determined whether or not the
[0058]
In S43, it is determined that the catalyst is activated when the
[0059]
In S44, the heater for the
Next, the stratified combustion switching permission determination (S6 in FIG. 3) will be described with reference to the flowchart shown in FIG. Here, as described above, the determination is made based on the pseudo water temperature Twf that correlates with the crown surface temperature of the
[0060]
In S51, the simulated water temperature Twf is calculated. Twf is estimated and calculated by the following equation as a function of the elapsed time t from when the ignition signal is turned on. That is, starting from an initial value Twf [0] corresponding to the starting water temperature Tw [0], the current cooling water temperature Tw [1] is first-order-delayed by a delay correction coefficient Ktwf determined per unit time according to the intake air amount Qa. converge toward t]. Here, Twf [0] is read from the map shown in FIG. 10A based on Tw [0], and Ktwf is read from the map shown in FIG. 10B based on Qa.
[0061]
Twf [t] = Tw [t] − (Tw [t] −Twf [t−1]) × (1−Ktwf)
In S52, it is determined whether or not the pseudo water temperature Twf [t] is equal to or higher than a predetermined temperature Twf1. When it determines with it being Twf1 or more, it progresses to S53 and it is determined that the crown surface temperature became more than predetermined temperature. On the other hand, before reaching Twf1, the process returns to S51, and the same determination is repeated for the newly calculated pseudo water temperature Twf [t].
[0062]
Next, the fuel property estimation end determination (S7 in FIG. 3) will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
In S61, it is determined whether the starter motor is driven and the engine speed becomes equal to or higher than the predetermined speed, and then the start signal is turned off (the key is in the ignition on position). Since the cranking is in progress until the start signal is not turned off, fuel property estimation is not performed. Therefore, in this case, this routine is terminated.
[0063]
In S62, it is determined whether or not a complete explosion has occurred. Fuel properties are not estimated until the explosion is complete.
In S63, it is determined whether or not input signals from various sensors are normal. If there is an abnormality, the fuel property is not estimated.
In S64, it is determined whether or not a normal fuel injection calculation is being executed, not during a fuel cut. If it is determined that the fuel is being cut (deceleration,
[0064]
As a result of the above determination, only when the key is in the ignition on position (S61), the complete explosion has been completed (S62), there is no abnormality in any of the sensor signals (S63), and the fuel is not being cut (S64). Proceed to S65.
In S65, 1 is substituted into a flag FLG indicating that the fuel property estimation has been completed, and this routine ends.
[0065]
Next, the exhaust gas temperature raising control / execution permission determination (S8 in FIG. 3) will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
In S71, the coolant temperature Tw, the engine speed Ne, the torque Tq, and the intake air amount Qa are detected based on input signals from various sensors.
In S72, each detected value is compared with a stored value in a RAM built in the
In this embodiment, when the combustion mode is switched from homogeneous combustion to exhaust-temperature stratified combustion, the target air-fuel ratio is a value slightly leaner than the theoretical air-fuel ratio (14.7) (for example, 16). Immediately after this switching, the target air-fuel ratio is set slightly lower than the original value (that is, 16), and is gradually shifted to the original value with a predetermined change rate. The pulse width CTI is calculated.
[0066]
Next, the operation of the combustion control according to the present embodiment will be described with reference to the time chart shown in FIG. The chart shows changes over time in the ignition timing, the opening degree of the
According to the present embodiment, when the start signal is turned on at time t0, the engine is cranked, and the ignition timing is gradually advanced in accordance with the rotation at that time. When the complete explosion is completed at time t1 and the start signal is turned off, the ignition timing is fixed at a predetermined timing set in accordance with the coolant temperature Tw and the engine speed Ne.
[0067]
The target equivalence ratio is corrected and set to a richer side than the stoichiometric air-fuel ratio in accordance with the coolant temperature Tw for stability from the start. When the warm-up operation is started, the fuel increase is gradually reduced as Tw increases.
When it is determined that the fuel property estimation is completed at time t2 (1 is assigned to the flag FLG), and when it is determined that the crown surface temperature of the
[0068]
In the exhaust-temperature stratified combustion from time t5, the target equivalent ratio is set to a theoretical air fuel ratio or slightly higher than that in the entire combustion chamber. However, as a result of setting the post-startup increase correction coefficient Kas (= NAKAS) as described above, the target equivalence ratio is set to a different value depending on the fuel property, and the lower the value is, the lower the fuel injection amount. Is reduced. Here, according to the present embodiment, the cooling water temperature Tw also contributes to the setting of the target equivalence ratio, but for the sake of brevity, the movement caused by the change in Tw is not shown here.
[0069]
With such an equivalence ratio setting, an air-fuel mixture whose air-fuel ratio is slightly lower than the stoichiometric air-fuel ratio is formed in the vicinity of the
[0070]
When it is determined that the catalyst is quickly heated and activated at time t6 while the exhaust gas temperature is maintained at a high temperature by exhaust temperature stratified combustion, normal combustion control (here, homogeneous) is performed at time t6. Shift to stoichiometric combustion. Correspondingly, the ignition timing is advanced. However, even before the catalyst is activated, when the accelerator is greatly depressed, the routine shifts to normal combustion control at that time in order to ensure the operation performance.
[0071]
When the
15 and 16 are time charts showing the effects of the combustion control according to the present embodiment.
FIG. 15 shows changes over time in the exhaust temperature from the start, the HC exhaust amount, the intake air amount, and the engine speed. For comparison with the case according to the present embodiment (solid line A), a dotted line B indicates a case where warm-up is performed only by homogeneous combustion.
[0072]
As is clear from the figure, since the high-temperature exhaust gas can be obtained by switching to the exhaust temperature stratified combustion, the time required for activation can be shortened by heating the catalyst more quickly to the activation temperature.
Further, although the HC emission amount temporarily increases immediately after switching, it is uniformly reduced thereafter. For this reason, if it considers over the whole warm-up period, it can be said that a significant reduction is possible.
[0073]
On the other hand, the fuel consumption is improved as compared with the case of performing the multistage injection, although a slight deterioration is observed as compared with the case of only homogeneous combustion (appears as an increase in the intake air amount).
FIG. 16 shows the air-fuel ratio of the air-fuel mixture formed around the
[0074]
The engine control system is generally designed to be adapted to the case where combustion is heavy. However, in such a design, when the fuel actually stored by refueling or the like becomes lighter than the setting, the air-fuel ratio around the
According to the present embodiment, the mixture formation around the
[0075]
This embodimentThenTo exhaust temperature stratified combustionImmediately after switching the combustion mode, the target air-fuel ratio isValueSet a little lowerShiGradually shift to this original value with a predetermined rate of change.AndTo do.
[0076]
FIG. 17 shows an example. In this embodiment,Combustion formWhen the target equivalence ratio is made rich (greater than 1) by the post-startup increase correction coefficient Kas, first, control is performed to a predetermined equivalence ratio (here, equivalent to the theoretical air-fuel ratio (= 1)), From here, it is gradually changed to the original target equivalent ratio for exhaust temperature stratified combustion, and the change rate dF / A at that time is changed according to the cooling water temperature Tw at the time of switching. That is, when switching is performed in a state where Tw is low and the warm-up is not so advanced, it is considered that a considerable amount of time is required until the combustion chamber is sufficiently warmed. Therefore, compared with the case where Tw is high, dF / A Is set to a small value, and the target equivalent ratio is shifted over time. If the warm-up is not progressing, the fuel component adhering to the wall surface is difficult to evaporate, and if the target equivalence ratio is rapidly reduced in this state, the fuel concentration around the
[0077]
Another example is shown in FIG. here,Combustion formAt the time of switching, the target equivalence ratio is decreased according to the cooling water temperature Tw at that time, and the lower the Tw, the lower the value from the higher value to the final value. If the amount of increase based on the final value is D, and the combustion chamber warms up after a certain number of cycles n has elapsed since switching regardless of the combustion chamber temperature at the time of switching, the rate of change D / n for each control cycle is Tw A lower value is set to a larger value. According to this method, it is possible to prevent the fuel concentration around the
[0078]
In the above, the control from start to warm-up has been explained.EmbodimentThe exhaust temperature stratified combustion according toIn addition to this,It is also possible to prevent the catalyst temperature from deviating from the active temperature range during operation.
For that purpose, for example, if the sensor output is monitored and it is detected that the operation state in which the exhaust gas temperature is lowered continues for a predetermined time or more, and if this is detected, the exhaust temperature stratified combustion can be stably performed, Switch to exhaust temperature stratified combustion to heat the catalyst. Then, when it is determined that the catalyst has been sufficiently warmed based on the elapsed time after switching or the like, the normal combustion control may be restored.
[0079]
In the above description, the air-fuel ratio feedback correction coefficient LAMD of the injection amount calculation formula is fixed to 1 at the time of exhaust temperature stratified combustion, and the fuel isFeeAlthough the injection amount is controlled to be open, the LAMD may be operated to perform feedback control to the target air-fuel ratio, and the fuel property may be reflected in the injection amount calculation formula at this time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a direct injection spark ignition engine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram of fuel injection according to the combustion mode.
FIG. 3 is a flowchart of a combustion control routine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart of a routine for calculating an exhaust gas temperature increase control / after-startup increase correction coefficient Kas (NAKAS).
[Fig. 5] Same as above, Setting map of correction coefficient water temperature correction NTKAS
[Fig. 6] Same as above, Correction coefficient rotation speed correction amount NTNKAS setting map
FIG. 7 is a flowchart of a catalyst activity determination routine.
FIG. 8 is a time chart showing changes in catalyst downstream air-fuel ratio sensor output, catalyst upstream / downstream temperature, and conversion rate during warm-up.
FIG. 9 is a flowchart of a piston crown surface temperature increase determination routine.
FIG. 10: Setting map for parameters for calculating simulated water temperature
FIG. 11 is a time chart showing changes in cooling water temperature and simulated water temperature during warm-up.
FIG. 12 is a flowchart of a fuel property estimation end determination routine.
FIG. 13 is a flowchart of an exhaust gas temperature raising control / execution permission determination routine.
FIG. 14 is a time chart showing the operation of combustion control according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an explanatory diagram of the effect of the above control (exhaust characteristics).
FIG. 16 is an explanatory diagram of the effect of the control (the air-fuel ratio around the spark plug)
FIG. 17 is a conceptual diagram showing an example of setting a target air-fuel ratio immediately after switching combustion modes.
FIG. 18 is a conceptual diagram showing another example of setting the target air-fuel ratio.
[Explanation of symbols]
1. Engine body
2 ... Intake pipe
3 ... Throttle valve
5 ... Swirl control valve
6 ... Spark plug
7 ... Injector
11 ... Exhaust pipe
12 ... Catalytic converter
21 ... ECU (electronic control unit)
31 ... Crank angle sensor
32 ... Water temperature sensor
33 ... Air flow meter
34 ... Throttle sensor
35 ... Accelerator sensor
36, 37 ... Air-fuel ratio sensor
38 ... Start switch
Claims (13)
特定運転条件下で前記燃料噴射手段により燃料を圧縮行程に噴射させて成層燃焼を行わせる燃焼制御手段と、
燃料性状を推定する燃料性状推定手段と、
排気温度を上昇させるべき条件にあるか否かを判定する排温上昇要件成立判定手段と、を備え、
前記燃焼制御手段は、
前記排温上昇要件成立判定手段により排気温度を上昇させるべき条件にあると判定されたときに、燃焼室全体の空燃比を理論空燃比又はこれよりも若干希薄側にする燃料噴射量を、そのときの目標空燃比に対応する基本噴射量を前記燃料性状推定手段により推定された燃料性状に応じて補正して算出し、算出された燃料噴射量を圧縮行程に噴射させて排気昇温成層燃焼を行わせるとともに、
機関始動の際にまず均質燃焼を行わせ、前記排温上昇要件成立判定手段の判定結果を含む所定条件が成立したことをもって均質燃焼から前記排気昇温成層燃焼に直接切り換え、
前記均質燃焼から排気昇温成層燃焼への切換直後に目標空燃比の移行期間を設け、この移行期間では、目標空燃比を移行完了後のものよりも低く設定して前記燃料噴射量を算出し、
前記移行期間において、切換後一定の制御周期が経過した時点における移行中の目標空燃比に冷却水温度が高いときほど大きな値を持たせるように、目標空燃比を冷却水温度に応じた所定の変化率で上昇させることを特徴とする直噴式火花点火機関の制御装置。Fuel injection means for directly injecting fuel into the cylinder;
Combustion control means for performing stratified combustion by injecting fuel into the compression stroke by the fuel injection means under specific operating conditions;
Fuel property estimation means for estimating the fuel property;
An exhaust temperature increase requirement establishment determining means for determining whether or not the exhaust temperature is in a condition to be increased,
The combustion control means includes
Wherein when it is determined that the condition to raise the exhaust temperature by the exhaust temperature rise requirements establishment determining means, the stoichiometric air-fuel ratio or this fuel injection amount to slightly lean side from the air-fuel ratio of the entire combustion chamber, The basic injection amount corresponding to the target air-fuel ratio at that time is corrected and calculated in accordance with the fuel property estimated by the fuel property estimating means, and the calculated fuel injection amount is injected in the compression stroke, and the exhaust gas temperature raising stratification is performed. While burning ,
When the engine is started, first, homogeneous combustion is performed, and when the predetermined condition including the determination result of the exhaust temperature increase requirement establishment determination means is satisfied, the homogeneous combustion is directly switched to the exhaust temperature stratified combustion,
A target air-fuel ratio transition period is provided immediately after switching from the homogeneous combustion to the exhaust-temperature stratified combustion, and in this transition period, the fuel injection amount is calculated by setting the target air-fuel ratio lower than that after completion of the transition. ,
In the transition period, the target air-fuel ratio is set to a predetermined value corresponding to the coolant temperature so that the target air-fuel ratio during transition at the time when a certain control cycle has elapsed after switching is increased as the coolant temperature increases. A control device for a direct-injection spark ignition engine characterized by being raised at a rate of change .
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