JP4341550B2 - 直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射弁から機関燃焼室に燃料を直接噴射する直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置に関するものである。

通常、直噴式内燃機関における燃料噴射制御では、機関回転速度や機関負荷等、機関運転状態に基づいて算出される目標噴射量に応じて燃料噴射弁の作動が制御されて、燃料噴射量がその時々の機関運転状態に適した量に調節される。

また、そうした燃料噴射制御にあって、機関冷間始動時に燃料噴射量を増量補正する装置が広く知られている（例えば特許文献１参照）。この増量補正は、燃焼状態の向上や機関排気通路に設けられた排気浄化触媒の早期暖機を図ることを目的として実行される。

更に、燃料を一度に噴射する一括噴射と複数回に分けて噴射する分割噴射とに燃料噴射形態を切り替える燃料噴射制御装置も知られている（例えば特許文献２参照）。このように燃料噴射形態を切り替えることにより、噴射燃料の状態を機関運転状態や機関温度等に即したかたちで木目細かく制御することができるようになる。
特開２００４−２２５６５８号公報 特開２００３−６５１２１号公報

ところで、上述したように増量補正の実行される燃料噴射制御装置において、一括噴射と分割噴射とを切り替えつつ燃料噴射制御を実行するようにすると、以下のような不都合が生じることとなる。

すなわち、機関冷間時にあっては噴射燃料の一部が機関燃焼室の内壁に付着することに起因して、実際に燃焼に寄与する燃料量が燃料噴射弁から噴射された燃料量よりも少なくなることがある。その結果、実際に燃焼に寄与する燃料の量も変化するようになり、その燃焼状態が異なったものとなる。また、こうした燃料付着量は、燃料の噴射時期によって変化する。これは、燃料の噴射時期によって機関ピストンの位置が変化し、燃焼室の露出する内壁の面積が変化するためである。更に、燃料噴射時期の他、燃料が噴射されて点火されるまでの期間、すなわち気化に要する時間が異なるようになるため、燃料付着量も変化することとなる。

また、燃料噴射時期によって、機関ピストンの移動方向や速度或いは燃焼室の実容積が異なるため、噴射燃料の気化の度合いも変化することとなる。その結果、やはり実際に燃焼に寄与する燃料の量が変化してその燃焼状態が異なったものとなる。

したがって、一括噴射の実行時及び分割噴射の実行時において燃料を同じように増量したとしても、燃焼に寄与する燃料量が異なるようになり、この点において未だ改善の余地を残すものとなっている。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料噴射形態を一括噴射及び分割噴射の間で切り替えるようにした内燃機関において、それら各噴射形態での燃料の壁面付着状況や気化状況に即して適切な燃料増量を行うことのできる直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項１に記載の発明は、機関冷間時の始動後に燃料を一度に噴射する一括噴射と複数回に分けて噴射する分割噴射との間で燃料噴射形態を切り替える直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関運転状態に基づいて設定される燃料噴射量を増量補正するに際し、機関始動後から所定期間が経過するまでは燃料噴射形態を前記分割噴射での燃料増量度合が前記一括噴射での燃料増量度合よりも大きく設定される第１の噴射形態に設定し、その後に燃料噴射形態を前記一括噴射での燃料増量度合が前記分割噴射での燃料増量度合よりも大きく設定される第２の噴射形態に設定するとともに、前記第１の噴射形態での一括噴射では燃料を圧縮行程終期に一度に噴射する一方、前記分割噴射では燃料を少なくとも圧縮行程終期を含む複数回の時期に噴射し、前記第２の噴射形態での一括噴射では燃料を吸気行程中に一度に噴射する一方、前記分割噴射では燃料を吸気行程中に複数回に分けて噴射することをその要旨とする。

機関冷間時、特に内燃機関の始動直後にあっては、燃料の気化が促進され難い。したがって、燃料がシリンダ周壁面やピストン頂面といった内燃機関の壁面に付着したままとなり、燃料の一部が機関燃焼に寄与せず燃焼状態の悪化を招く可能性が高い。これに対して、機関始動後においては時間の経過とともに機関燃焼室の内部及びその内壁の温度が徐々に上昇するようになるため、噴射燃料の一部が機関燃焼室内壁に付着して機関燃焼に寄与しない可能性は低下するようになる。また一方、燃料を一括して噴射し、その噴射燃料を一度に気化させるよりも、これを複数回に分割して噴射したほうがその気化が促進されるようになる。

請求項１に記載の構成では、こうした点に鑑み、機関始動後から所定期間が経過するまで分割噴射での燃料増量度合を一括噴射での燃料増量度合よりも大きく設定し、その後に一括噴射での燃料増量度合を分割噴射での燃料増量度合よりも大きく設定するようにしている。このため、上述したような始動後における燃料の壁面付着状況及び気化促進状況の変化に即して燃料増量度合を設定することができ、燃焼に寄与する燃料を確保して機関燃焼の安定化を図ることができるようになる。

ここで、上述したように、機関冷間時においては、噴射された燃料が十分に気化することなく、一部が燃焼室の内壁に付着する傾向がある。また、圧縮行程終期のように機関ピストンが上死点側にある場合には、機関燃焼室内壁の露出面積が小さいため、こうした燃料の付着がある程度抑制されるものの、圧縮行程初期等、圧縮行程終期以外の時期に燃料を噴射する場合には、燃料付着量が多くなるため、噴射した燃料のうち実際に機関燃焼に寄与する割合が少なくなる。一方、燃料を吸気行程中に噴射する場合には、仮にそうした燃料付着が生じたとしても、燃料噴射時期から点火時期までの期間においてその付着燃料が気化する可能性が高くなる。寧ろ、吸気行程中にあっては燃料を一括して噴射し、その噴射燃料を一度に気化させるよりも、これを複数回に分割して噴射したほうがその気化が促進される傾向にある。したがって、一括噴射では分割噴射よりも機関燃焼に寄与しない燃料の量が多くなる。

この点、請求項１に記載の構成によれば、そうした一括噴射の噴射時期及び分割噴射の噴射時期によって変化する燃料の壁面付着状況及び気化促進状況に即して燃料増量度合を設定することができ、燃焼に寄与する燃料を確保して機関燃焼状態の更なる安定化を図ることができるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料増量度合は機関温度及び始動後経過時間の少なくとも一方に基づいて設定されることをその要旨とする。

上述したような機関燃焼室内壁の燃料付着量は機関温度が低いときほど多くなる傾向がある。また、機関燃焼室の温度は始動後の経過時間が短いほど低いため、その経過時間が短いときほど燃料付着量は多くなる傾向がある。

この点、請求項２に記載の構成によれば、分割噴射時には一括噴射時よりも燃料増量度合が大きくなるように燃料噴射量を増量補正するに際し、こうした機関温度或いは始動後経過時間に応じて変化する燃料付着量に即して燃料増量度合を設定することができ、実際に燃焼に寄与する燃料の量を確保して燃焼状態の更なる安定を図ることができるようになる。なお、機関温度については、例えば機関冷却水温度や機関潤滑油温度に基づいてこれを推定することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置において、燃料噴射形態を前記分割噴射に設定するに際して各噴射の噴射量分割率を設定する分割率設定手段を更に備え、該分割率設定手段は前記分割噴射の各噴射により噴射される総燃料量が少ないときほど前記各噴射の噴射量分割率の差が小さくなるようにこれらを設定することをその要旨とする。

一般に、目標燃料噴射量が少ない場合、すなわち分割噴射にあっては各噴射により噴射される総燃料量が少ない場合には、燃料噴射弁の開弁時間と閉弁時間との間隔が狭くなるために、燃料噴射弁にあっては、極めて高い作動応答性が要求されるようになる。その結果、各噴射のいずれかの燃料噴射量が過度に少なく設定されると、上述したような燃料噴射弁の作動応答性に限界があることから正常な燃料噴射が行われなくなる懸念がある。一方、目標燃料噴射量が多い場合、すなわち分割噴射にあっては各噴射により噴射される総燃料量が多い場合には、各噴射のいずれかの燃料噴射量が上記燃料噴射弁の作動応答性の限界を下回る可能性が低くなり、各噴射の噴射量分割率を設定する際の自由度が高くなる。

この点、請求項３に記載の構成では、分割噴射の各噴射により噴射される総燃料量が少ないとき、換言すれば噴射量分割率の設定によっては各噴射のいずれかの燃料噴射量が極めて少なくなるときには、各噴射の噴射量分割率の差が小さくなるようにこれらを設定している。このため、分割噴射における各噴射での燃料噴射量が過度に少なくなることを極力抑制することができ、各噴射での正常な燃料噴射動作を確保することができるようになる。しかも、上記総燃料量の多いときには、各噴射の噴射量分割率の差が大きくなるようにこれらを設定しているために、高い自由度をもって各噴射の噴射量分割率を設定することができるようになる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記分割率設定手段は前記分割噴射の各噴射により噴射される総燃料量が所定量以下であるときに前記各噴射の噴射量分割率が等しくなるようにこれらを設定することをその要旨とする。

同構成では、分割噴射の各噴射により噴射される総燃料量が所定量以下であるとき、換言すれば総燃料噴射量を不均等に分割した場合に各噴射の燃料噴射量が燃料噴射弁の最小燃料噴射量を下回る状況になり得るときには、各噴射の噴射量分割率を等しく設定するようにしている。したがって、分割噴射のいずれかの噴射においてその噴射量が最小燃料噴射量を下回って正常な噴射を行うことができなくなるといった状況を極力回避することができ、これにより分割噴射の実行機会を増やすことができるようになる。

なお、請求項３又は４に記載したような噴射量分割率の設定方法は、これを燃料噴射形態が第１の噴射形態に設定されているときに採用するのが特に有効ではあるが、第２の噴射形態に設定されているとき、或いは燃料噴射形態がいずれの形態に設定されているかにかかわらず採用してもよい。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料噴射量の増量補正は機関始動後所定期間が経過するまでの機関アイドル運転時に行われることをその要旨とする。

ここで、機関始動後所定期間が経過するまでの機関アイドル運転時において、排気温度を上昇させることや燃焼状態を向上させることを意図して、燃料噴射量を増量補正する装置が知られている。請求項５に記載の構成によれば、そうした装置にあって燃料噴射形態が一括噴射及び分割噴射の間で切り替えられる場合に、それら各噴射形態での燃料の壁面付着状況や気化状況に即して適切な燃料増量を行うことができるようになる。

以下、本発明にかかる直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置を具体化した一実施の形態について説明する。
図１に示すように、本実施の形態の適用される内燃機関１０は大きくは、吸気通路１１、燃焼室１２、及び排気通路１３を備えて構成されている。吸気通路１１にはスロットルバルブ１４が配設され、燃焼室１２には点火プラグ１５及び燃料噴射弁１６が配設されている。また、排気通路１３には排気浄化触媒１７が配設されている。

内燃機関１０の運転中には、外部から取り込まれた空気が吸気通路１１を通じて燃焼室１２に導入される。燃焼室１２に導入される空気量は、スロットルバルブ１４の開度制御を通じて調整される。

燃焼室１２には、燃料噴射弁１６から燃料が直接噴射され、吸気通路１１から導入された空気と混合される。そしてその燃料と空気との混合気は、点火プラグ１５からの火花放電により点火され、燃焼される。燃焼によって生じた排ガスは、排気通路１３に排出され、排気浄化触媒１７により浄化される。

内燃機関１０の燃料噴射制御は電子制御装置２０により行われる。電子制御装置２０は、機関制御にかかる各種処理を実行する中央演算処理装置、機関制御用のプログラムやその制御に必要な情報が記憶されるメモリ、外部から信号が入力される入力ポート、外部に信号を出力するための出力ポート等を備えて構成されている。

電子制御装置２０の入力ポートには、機関運転状況を検出するための各種センサ類が接続されている。具体的には、例えば機関出力軸の回転速度（機関回転速度ＮＥ）を検出するための回転速度センサや、アクセルペダルの操作量（アクセル操作量ＡＣ）を検出するためのアクセルセンサ、機関冷却水の温度（冷却水温度ＴＨＷ）を検出するための水温センサ、吸入空気量ＧＡを検出するための吸気量センサが接続されている。その他、内燃機関１０の始動に際して操作されるイグニッションスイッチなども接続されている。また、電子制御装置２０の出力ポートには、点火プラグ１５や燃料噴射弁１６等が接続されている。

電子制御装置２０は、機関運転状態（詳しくは、機関回転速度ＮＥや吸入空気量ＧＡ、アクセル操作量ＡＣ、冷却水温度ＴＨＷなど）に基づいて目標噴射量Ｑｏｐを算出し、その目標噴射量Ｑｏｐに応じて燃料噴射弁１６を駆動するといったように燃料噴射制御を実行する。これにより、その時々の機関運転状態に見合った量の燃料が噴射されるようになる。また、そうした目標噴射量Ｑｏｐの設定に併せ、最適な燃焼状態が得られるように点火プラグ１５による点火時期や吸入空気量ＧＡなども調整される。

なお、機関冷間時における燃料噴射制御では、排気浄化性能を早期に発揮させるために排気浄化触媒１７を急速に暖機させる制御（触媒急速暖機制御）や、燃焼状態を向上させるための制御（燃焼向上制御）が実行される。

以下、それら触媒急速暖機制御及び燃焼向上制御について各別に説明する。
ここでは先ず、触媒急速暖機制御について説明する。
触媒急速暖機制御は、以下の各条件が全て満たされていることを条件に実行される。
・内燃機関１０の始動が完了しており、同内燃機関１０が自律運転されていること。
・内燃機関１０の始動開始時における冷却水温度ＴＨＷが低いこと。
・内燃機関１０がアイドル運転状態であること。

そして、触媒急速暖機制御では、圧縮行程後期での燃料噴射、吸入空気量ＧＡの増量、燃料噴射量の増量、及び点火時期の遅角を実行することによって排気温度の上昇が図られ、これにより排気浄化触媒１７の早期活性化が図られる。圧縮行程後期に燃料を噴射するようにしたのは、点火プラグ１５の近傍に可燃な濃い混合気を偏在させた状態での機関燃焼、いわゆる成層燃焼を実行するためである。この成層燃焼の実行により、後述する均質燃焼の実行時と比べて、点火時期を大幅に遅角することや吸入空気量ＧＡを大幅に増量することが可能になり、ひいては排気温度をごく高く設定することが可能になる。

なお、圧縮行程後期に噴射される燃料量が過度に多くなると、点火プラグ１５周辺の空燃比が過度にリッチになり、混合気の燃焼状態が悪化するようになる。そのため、そうした場合には、燃料噴射を複数回に分割して実行することにより、点火プラグ１５周辺の空燃比が適切な比率になるようにしている。こうした燃料噴射（分割噴射）では、例えば圧縮行程初期（１８０°ＢＴＤＣ）及び圧縮行程後期（３０°ＢＴＤＣ）に分けて燃料が二回噴射される。

一般に、燃料噴射量が少ない場合、すなわち分割噴射にあっては各噴射により噴射される総燃料量が少ない場合には、燃料噴射弁１６の開弁時間と閉弁時間との間隔が狭くなるために、同燃料噴射弁１６に極めて高い作動応答性が要求されるようになる。そのため、単に燃料噴射量を分割すると、分割された燃料量が燃料噴射弁１６の最小燃料噴射量（詳しくは、燃料噴射弁１６の作動応答性の限界により定まる下限噴射量）を下回って、噴射量を調節することができなくなるおそれがある。したがって、そうした場合には一回のみの噴射（一括噴射）が行われ、圧縮行程後期（例えば２５°ＢＴＤＣ）に燃料が一度に噴射される。また、圧縮行程後期に全ての燃料を噴射しても点火プラグ１５周辺の空燃比を適切なものにすることができる場合にも、一括噴射が行われる。

分割噴射を行うか一括噴射を行うかは、基本的に、内燃機関１０の１サイクル（吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程といった一連のサイクル）中における１気筒への総燃料噴射量に応じて選択される。

ここで、機関冷間時においては、噴射された燃料が十分に気化することなく、一部が燃焼室１２の内壁に付着する傾向がある。また、圧縮行程終期のように機関ピストンＰが上死点側にある場合には、燃焼室１２内壁の露出面積が小さいため、こうした燃料の付着がある程度抑制されるものの、圧縮行程初期等、圧縮行程終期以外の時期に燃料を噴射する場合には、燃焼室１２内壁の燃料付着量が多くなるため、噴射した燃料のうち実際に機関燃焼に寄与する割合が少なくなる。

この点をふまえ、本実施の形態では、触媒急速暖機制御において燃料噴射量を増量補正するための増量補正量Ｋｃを算出する際に、同増量補正量Ｋｃとして分割噴射時には一括噴射時よりも大きい値を算出するようにしている。これにより、一括噴射時と比べて上記燃焼室１２内壁への燃料付着量が増大する分割噴射時において燃料噴射量が大きく増量されるようになり、その増大による実質的な燃料噴射量の不足が抑制されるようになる。

次に、燃焼向上制御について説明する。
燃焼向上制御は、以下の条件が全て満たされていることを条件に実行される。
・内燃機関１０の始動が完了しており、同内燃機関１０が自律運転されていること。
・冷却水温度ＴＨＷが低いこと。
・内燃機関１０がアイドル運転状態であること。
・触媒急速暖機制御が実行されていないこと。

そして、燃焼向上制御では、燃料噴射量の増量補正を通じて燃焼に供される燃料量を増量することによって燃料の気化作用の不足を補い、燃焼状態の向上を図るようにしている。燃焼向上制御では、内燃機関１０の吸気行程での燃料噴射が実行される。この吸気行程における燃料噴射では、燃焼室１２内に燃料を均質に分散させた状態での機関燃焼、いわゆる均質燃焼が実行される。

なお、燃焼向上制御においても、燃料噴射形態が一括噴射及び分割噴射の間で切り替えられる。本実施の形態では例えば、一括噴射では吸気行程初期（３００°ＢＴＤＣ）において一回のみ燃料が噴射され、分割噴射では吸気行程前中期（２４０°ＢＴＤＣ）及び吸気行程終期（１８０°ＢＴＤＣ）の二回に分けて燃料が噴射される。それら一括噴射や分割噴射の実行領域は、吸入空気量ＧＡや機関回転速度ＮＥ、冷却水温度ＴＨＷ等により規定される領域であって各燃料噴射形態に適した領域が実験結果等に基づき求められ、設定されている。

ここで、前述したように、機関冷間時においては、噴射された燃料が十分に気化することなく、一部が燃焼室１２の内壁に付着する傾向がある。但し、燃料を吸気行程中に噴射する場合には、仮にそうした燃料付着が生じたとしても、燃料噴射時期から点火時期までの期間においてその付着燃料が気化する可能性が高くなる。寧ろ、吸気行程中にあっては燃料を一括して噴射し、その噴射燃料を一度に気化させるよりも、これを複数回に分割して噴射したほうがその気化が促進される傾向にある。したがって、一括噴射では分割噴射よりも機関燃焼に寄与しない燃料の量が多くなる。

この点をふまえ、本実施の形態では、燃焼向上制御において燃料噴射量を増量補正するための増量補正係数Ｋｂを算出する際に、同増量補正係数Ｋｂとして一括噴射時には分割噴射時よりも大きい値を算出するようにしている。これにより、分割噴射時と比べて噴射燃料の気化が促進されず燃焼に寄与しない燃料の量が増大する一括噴射時において、燃料噴射量が大きく増量されるようになり、その増大による実質的な燃料噴射量の不足が抑制されるようになる。

以下、前記触媒急速暖機制御において増量補正量Ｋｃを算出する処理、及び燃焼向上制御において増量補正係数Ｋｂを算出する処理を含む目標噴射量Ｑｏｐを算出する処理について説明する。

ここでは先ず、触媒急速暖機制御の実行時において目標噴射量Ｑｏｐを算出する処理について、図２及び図３に示すフローチャートを参照しつつ説明する。
なお、図２のフローチャートに示す一連の処理は目標噴射量Ｑｏｐを算出する処理の具体的な処理手順を示しており、図３のフローチャートに示す一連の処理は増量補正量Ｋｃを算出する処理の具体的な処理手順を示している。また、これら一連の処理は、所定周期毎の処理として、電子制御装置２０により実行される処理である。

図２に示すように、前記目標噴射量Ｑｏｐを算出する際には先ず、機関回転速度ＮＥや吸入空気量ＧＡ、アクセル操作量ＡＣ等に基づいて要求噴射量Ｑｃａｌが算出される（ステップＳ１００）。その後、例えば吸気温度についての補正量や大気圧についての補正量、冷却水温度ＴＨＷについての補正量等、上記増量補正量Ｋｃ及び増量補正係数Ｋｂ以外の各種補正量（Ｋｉ，…）が算出される（ステップＳ１０２）。

このとき触媒急速暖機制御が実行されているために（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、同触媒急速暖機制御にかかる増量補正量Ｋｃを算出する処理が実行される（ステップＳ１０６）。本実施の形態では、このステップＳ１０６の処理が、分割噴射時には一括噴射時よりもその燃料増量度合を大きく設定する増量補正手段として機能する。

図３に示すように、上記増量補正量Ｋｃの算出に際しては先ず、機関温度の指標値としての冷却水温度ＴＨＷ及び、内燃機関１０を始動させるためにイグニッションスイッチが操作された後の経過時間（始動後経過時間Ｔｓ）に基づいてＡマップから、ベース増量値Ｋｃｂが算出される（ステップＳ２００）。

なお、上記ベース増量値Ｋｃｂとしては、一括噴射が選択されているときにおいて内燃機関１０を安定運転しつつ排気浄化触媒１７の早期暖機を図ることの可能な値が算出される。上記Ａマップには、そうしたベース増量値Ｋｃｂと冷却水温度ＴＨＷ及び始動後経過時間Ｔｓとの関係が実験結果などを通じて求められ、設定されている。

燃焼室１２内壁への燃料付着量は機関温度が低いときほど多くなる傾向がある。また、燃焼室１２の温度は始動後の経過時間が短いほど低いため、その経過時間が短いときほど上記燃料付着量は多くなる傾向がある。この点をふまえ、本実施の形態では、図４にＡマップを概念的に示すように、ベース増量値Ｋｃｂとして具体的には、冷却水温度ＴＨＷが低いほど、また始動後経過時間Ｔｓが短いほど大きい値を算出するようにしている。これにより、機関温度や始動後経過時間Ｔｓに応じて変化する上記燃料付着量に即して増量補正量Ｋｃを算出することができ、実際に燃焼に寄与する燃料の量を確保することができるようになる。

そして、一括噴射の選択時には（図３のステップＳ２０２：ＮＯ）、ベース増量値Ｋｃｂが増量補正量Ｋｃとして設定される（ステップＳ２０４）。
一方、分割噴射の選択時には（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、冷却水温度ＴＨＷ及び始動後経過時間Ｔｓに基づいてＢマップから、分割噴射補正量Ｋｃ２が算出される（ステップＳ２０６）。なお、この分割噴射補正量Ｋｃ２としては、前述した燃焼室１２内壁への燃料付着量の増大に起因する燃料噴射量の不足分のうち分割噴射の選択による不足分を補うことの可能な値が算出される。上記Ｂマップには、そうした分割噴射補正量Ｋｃ２と冷却水温度ＴＨＷ及び始動後経過時間Ｔｓとの関係が実験結果などを通じて求められ、設定されている。分割噴射補正量Ｋｃ２としては、具体的には、冷却水温度ＴＨＷが低いほど、また始動後経過時間Ｔｓが短いほど大きい値が算出される。

そして、前記増量補正量Ｋｃとして、上記ベース増量値Ｋｃｂに分割噴射補正量Ｋｃ２を加算した値（Ｋｃｂ＋Ｋｃ２）が算出される（ステップＳ２０８）。
更に、冷却水温度ＴＨＷに基づいてＣマップから、一回目の燃料噴射についての噴射量分割率Ｒｔが算出される（ステップＳ２１０）。本実施の形態では、このステップＳ２１０の処理が、燃料噴射形態を分割噴射に設定するに際して各噴射の噴射量分割率を設定する分割率設定手段として機能する。以下、図５を参照しつつ、上記噴射量分割率Ｒｔの算出態様について説明する。なお、図５はＣマップを概念的に示したものである。

図５に示すように、冷却水温度ＴＨＷが所定温度ＴＨｂ以上であるときには、上記噴射量分割率Ｒｔとして「０．５」が算出される。
このとき各噴射により噴射される総燃料量が少なく、総燃料噴射量を不均等に分割した場合に、いずれかの噴射の燃料噴射量が燃料噴射弁１６の最小燃料噴射量を下回って正常な噴射を行うことができなくなるといった状況になり得るとして、各噴射の噴射量分割率が等しくなるように上記噴射量分割率Ｒｔが設定される。これにより、上記状況になることを極力回避することができ、分割噴射の実行機会を増やすことができるようになる。

一方、冷却水温度ＴＨＷが上記所定温度ＴＨｂよりも低く且つ所定温度ＴＨａよりも高いときには、上記噴射量分割率Ｒｔとして、「０．５」よりも小さい値であって冷却水温度ＴＨＷが高いほど「０．５」に近い値が算出される。

このとき各噴射により噴射される総燃料量が比較的少なく、噴射量分割率の設定によっては各噴射のいずれかの燃料噴射量が過度に少なくなるとして、各噴射の噴射量分割率の差が比較的小さくなるように上記噴射量分割率Ｒｔを設定している。そのため、分割噴射における各噴射での燃料噴射量が過度に少なくなることを極力抑制することができ、各噴射での正常な燃料噴射動作を確保することができるようになる。また、このとき分割噴射の二回目（圧縮行程終期）の噴射における燃料噴射量が一回目（圧縮行程初期）の噴射の燃料噴射量よりも多くなるように噴射量分割率Ｒｔが設定されために、成層燃焼方式での機関燃焼を比較的安定した状態で行うことができるようになる。

他方、冷却水温度ＴＨＷが所定温度ＴＨａ以下であるときには、上記噴射量分割率Ｒｔとして所定の値（例えば「０．３」）が算出される。
このとき各噴射により噴射される総燃料量が多く、分割噴射における各噴射の噴射量分割率を設定する際の自由度が高いために、安定した状態で成層燃焼方式での機関燃焼を行うことのできる所定の値が上記噴射量分割率Ｒｔとして算出される。なお、この所定の値は、実験結果などに基づき求められ設定されている。

このように増量補正量Ｋｃや噴射量分割率Ｒｔが算出された後、触媒急速暖機制御にかかる増量補正量Ｋｃを算出する処理は一旦終了される。
そして、図２に示すように、目標噴射量Ｑｏｐを算出する処理にあっては、このとき燃焼向上制御が実行されていないために（ステップＳ１０８：ＮＯ）、前記増量補正係数Ｋｂとして燃料噴射量を増量補正しない値「１．０」が算出される（ステップＳ１１０）。

そして、上記要求噴射量Ｑｃａｌ、各種補正量Ｋｉ…、増量補正量Ｋｃ、増量補正係数Ｋｂに基づいて下式（１）から、目標噴射量Ｑｏｐが算出される（ステップＳ１１２）。

Ｑｏｐ←（Ｑｃａｌ＋Ｋｃ＋Ｋｉ＋…）Ｋｂ …（１）

そして、一括噴射の選択時には（ステップＳ１１４：ＮＯ）、上記目標噴射量Ｑｏｐに応じて燃料噴射弁１６が駆動されて、燃料噴射量が調節される。

一方、分割噴射の選択時には（ステップＳ１１４：ＹＥＳ）、目標噴射量Ｑｏｐ及び噴射量分割率Ｒｔに基づいて下式（２）及び（３）から、各噴射についての目標噴射量Ｑｏｐ１，Ｑｏｐ２がそれぞれ算出される（ステップＳ１１６）。

一回目噴射量Ｑｏｐ１←Ｑｏｐ・Ｒｔ …（２）
二回目噴射量Ｑｏｐ２←Ｑｏｐ・（１−Ｒｔ） …（３）

そして、一回目（圧縮行程初期）の噴射では一回目噴射量Ｑｏｐ１に応じて、また二回目（圧縮行程終期）の噴射では二回目噴射量Ｑｏｐ２に応じてそれぞれ燃料噴射弁１６が駆動されて、各噴射における燃料噴射量が調節される。

本実施の形態では、上述した触媒急速暖機制御における燃料噴射形態が、機関始動後から所定期間が経過するまでは分割噴射での燃料増量度合を一括噴射での燃料増量度合よりも大きく設定する第１の噴射形態に相当する。なお、ここでの所定期間は、触媒急速暖機制御が実行される期間であり、機関温度に基づき設定される期間である。この所定期間としては、具体的には、機関始動時の機関温度が低いときほど長い時間が設定される。そのように所定期間を設定するのは、機関温度が低いときほど外気温度が低い可能性が高く、排気浄化触媒１７の暖機に要する時間が長くなるためである。

図６は、触媒急速暖機制御の実行中において分割噴射と一括噴射とが切り替わる場合における増量補正量Ｋｃの算出態様の一例を示している。
同図６に示すように、分割噴射の選択時（時刻ｔ１０よりも前）における増量補正量Ｋｃは、一括噴射の選択時における増量補正量Ｋｃと比べて、分割噴射補正量Ｋｃ２の分だけ大きい値が算出される。そのため、分割噴射の選択時において燃焼室１２内壁への燃料付着量が増大したとしても、その増大による実質的な燃料噴射量の不足、ひいてはこれに起因する燃焼状態の悪化を抑制することができるようになる。これにより、分割噴射の選択時及び一括噴射の選択時（時刻ｔ１０以降）において共に、内燃機関１０の安定運転と排気浄化触媒１７の早期暖機とを両立させることができるようになる。

次に、燃焼向上制御の実行時において目標噴射量Ｑｏｐを算出する処理について、図２及び図７に示すフローチャートを参照しつつ説明する。
なお、図７のフローチャートに示す一連の処理は、増量補正係数Ｋｂを算出する処理の具体的な処理手順を示しており、所定周期毎の処理として、電子制御装置２０により実行される。

図２に示すように、目標噴射量Ｑｏｐを算出する際には先ず、前記要求噴射量Ｑｃａｌが算出されるとともに（ステップＳ１００）、前記各種補正量（Ｋｉ，…）が算出される（ステップＳ１０２）。このとき触媒急速暖機制御が実行されていないために（ステップＳ１０４：ＮＯ）、前記増量補正量Ｋｃとして燃料噴射量を増量補正しない値（具体的には「０」）が設定される（ステップＳ１１８）。また、このとき前記噴射量分割率Ｒｔとして「０．５」が設定される。

そして、このとき燃焼向上制御が実行されているために（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、燃焼向上制御にかかる増量補正係数Ｋｂを算出する処理が実行される（ステップＳ１２０）。本実施の形態では、このステップＳ１２０の処理が、一括噴射時には分割噴射時よりもその燃料増量度合を大きく設定する増量補正手段として機能する。

具体的には、図７に示すように、分割噴射の選択時には（ステップＳ３００：ＹＥＳ）、冷却水温度ＴＨＷ及び機関負荷率ＫＬ（＝ＧＡ／ＮＥ）に基づいてＤマップから、増量補正係数Ｋｂが算出される（ステップＳ３０２）。一方、一括噴射の選択時には（ステップＳ３００：ＮＯ）、冷却水温度ＴＨＷ及び機関負荷率ＫＬに基づいてＥマップから、増量補正係数Ｋｂが算出される（ステップＳ３０４）。

Ｄマップ及びＥマップは共に、内燃機関１０の安定運転を保ちつつ燃焼状態の向上を図ることの可能な値を増量補正係数Ｋｂとして算出するためのマップであり、そうした増量補正係数Ｋｂと冷却水温度ＴＨＷ及び機関負荷率ＫＬとの関係が実験結果などを通じて求められ、設定されている。

ここで機関温度が高いときほど、噴射燃料の気化が促進される傾向にあるために、実際に燃焼に寄与する燃料の量も多くなる。また、機関負荷率ＫＬが高いときほど、燃料噴射量が多い量に調節されるために、燃焼に寄与する燃料の量は多くなる。

このため、本実施の形態では増量補正係数Ｋｂとして、図８にＤマップやＥマップを概念的に示すように、冷却水温度ＴＨＷが高いほど、また機関負荷率ＫＬが大きいときほど小さい値が算出される。これにより、機関温度に応じて変化する噴射燃料の気化促進度合や機関負荷率ＫＬによって変化する燃料噴射量に即して増量補正係数Ｋｂを算出することができ、実際に燃焼に寄与する燃料の量を確保することができるようになる。

ただし、Ｄマップ及びＥマップは、冷却水温度ＴＨＷ及び機関負荷率ＫＬが同一の条件下において上記Ｄマップから算出される増量補正係数Ｋｂが上記Ｅマップから算出される増量補正係数Ｋｂよりも小さい値になるように設定されている。

このように増量補正係数Ｋｂを算出した後、図２に示すように、上記要求噴射量Ｑｃａｌ、各種補正量Ｋｉ…、増量補正量Ｋｃ、増量補正係数Ｋｂに基づいて前記関係式（１）から、目標噴射量Ｑｏｐが算出される。

そして、一括噴射の選択時には（ステップＳ１１４：ＮＯ）、上記目標噴射量Ｑｏｐに応じて燃料噴射弁１６が駆動されて、燃料噴射量が調節される。
一方、分割噴射が選択されているときには（ステップＳ１１４：ＹＥＳ）、目標噴射量Ｑｏｐ及び噴射量分割率Ｒｔに基づいて前記関係式（２）及び（３）から、各噴射についての目標噴射量Ｑｏｐ１，Ｑｏｐ２がそれぞれ算出される（ステップＳ１１６）。そして、それら目標噴射量Ｑｏｐ１，Ｑｏｐ２に応じて燃料噴射弁１６が駆動されて、各噴射にかかる燃料噴射量が調節される。

本実施の形態では、上述した燃焼向上制御における燃料噴射形態が、一括噴射での燃料増量度合を分割噴射での燃料増量度合よりも大きく設定する第２の噴射形態に相当する。
図９は、燃焼向上制御の実行中において分割噴射と一括噴射とが切り替わる場合における目標噴射量Ｑｏｐの算出態様の一例を示している。

同図９に示すように、分割噴射の選択時（時刻ｔ２０よりも前）における増量補正係数Ｋｂは、一括噴射の選択時における増量補正係数Ｋｂと比べて、小さい値が算出される。そのため、燃料を吸気行程中に噴射する場合において一括噴射では分割噴射よりも機関燃焼に寄与しない燃料の量が多くなるといった前述した傾向に応じて、一括噴射の選択時及び分割噴射の選択時における増量補正係数Ｋｂ、ひいては目標噴射量Ｑｏｐが算出されるようになる。したがって、一括噴射の選択時において噴射燃料の気化が促進されず燃焼に寄与しない燃料の量が増大したとしても、その増大による実質的な燃料噴射量の不足、ひいてはこれに起因する燃焼状態の悪化を抑制することができるようになる。これにより、分割噴射の選択時及び一括噴射の選択時（時刻ｔ２０以降）において共に、内燃機関１０の安定運転を保ちつつ燃焼状態の向上を図ることができるようになる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
（１）触媒急速暖機制御における燃料噴射量の増量補正において、分割噴射時には一括噴射時よりもその増量補正量Ｋｃとして大きい値を算出するようにした。そのため、分割噴射時において燃焼室１２内壁への燃料付着量が増大したとしても、その増大による実質的な燃料噴射量の不足、ひいてはこれに起因する燃焼状態の悪化を抑制することができるようになる。

（２）増量補正量Ｋｃを、冷却水温度ＴＨＷ及び始動後経過時間Ｔｓに基づいて算出するようにした。そのため、機関温度や始動後経過時間Ｔｓに応じて変化する燃料付着量に即して増量補正量Ｋｃを算出することができ、実際に燃焼に寄与する燃料の量を確保して燃焼状態の更なる安定を図ることができるようになる。

（３）触媒急速暖機制御における分割噴射時に、冷却水温度ＴＨＷが高いときほど、噴射量分割率Ｒｔとして「０．５」に近い値を算出するようにした。そのため、各噴射により噴射される総燃料量が比較的少なく、噴射量分割率の設定によっては各噴射のいずれかの燃料噴射量が過度に少なくなるときに、各噴射の噴射量分割率の差が小さくなるように上記噴射量分割率Ｒｔが設定されるようになる。これにより、各噴射での燃料噴射量が過度に少なくなることを極力抑制することができ、各噴射での正常な燃料噴射動作を確保することができるようになる。

（４）冷却水温度ＴＨＷが所定温度ＴＨｂ以上であるときには、上記噴射量分割率Ｒｔとして「０．５」を算出するようにした。そのため、各噴射により噴射される総燃料量が少なく、総燃料噴射量を不均等に分割した場合に、いずれかの噴射の燃料噴射量が燃料噴射弁１６の最小燃料噴射量を下回って正常な噴射を行うことができなくなるといった状況になり得るときに、各噴射の噴射量分割率が等しくなるように上記噴射量分割率Ｒｔが設定されるようになる。これにより、上記状況になることを極力回避することができ、分割噴射の実行機会を増やすことができるようになる。

（５）冷却水温度ＴＨＷが所定温度ＴＨａ以下であるときには、上記噴射量分割率Ｒｔとして所定の値を算出するようにしたために、成層燃焼方式での機関燃焼を安定した状態で行うことができるようになる。

（６）燃焼向上制御における燃料噴射量の増量補正において、一括噴射時には分割噴射時よりもその増量補正係数Ｋｂとして大きい値を算出するようにした。そのため、一括噴射時において噴射燃料の気化が促進されず燃焼に寄与しない燃料の量が増大したとしても、その増大による実質的な燃料噴射量の不足、ひいてはこれに起因する燃焼状態の悪化を抑制することができるようになる。

（７）増量補正係数Ｋｂを、冷却水温度ＴＨＷに基づいて算出するようにした。そのため、機関温度に応じて変化する噴射燃料の気化促進度合に即して増量補正係数Ｋｂを算出することができ、実際に燃焼に寄与する燃料の量を確保して燃焼状態の更なる安定を図ることができるようになる。

（８）機関冷間時に燃料噴射量を増量補正する際に、触媒急速暖機制御の実行中には分割噴射での燃料増量度合を一括噴射での燃料増量度合よりも大きく設定し、その後における燃焼向上制御の実行中には一括噴射での燃料増量度合を分割噴射での燃料増量度合よりも大きく設定するようにした。このため、上述したような機関始動後における燃料の壁面付着状況及び気化促進状況の変化に即して燃料増量度合を設定することができ、燃焼に寄与する燃料を確保して機関燃焼の安定化を図ることができるようになる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・噴射量分割率Ｒｔの算出パラメータとしては、冷却水温度ＴＨＷの他にも、例えば機関回転速度ＮＥや吸入空気量ＧＡ、始動後経過時間Ｔｓ等、分割噴射の各噴射により噴射される総燃料量と相関の高い値であればこれを用いることが可能である。要は、それら算出パラメータを上記総燃料量の指標値として用い、総燃料量に即したかたちで各噴射の噴射量分割率を設定することができればよい。

具体的には、次の（構成１）〜（構成３）のように各噴射の噴射量分割率を設定すればよい。（構成１）総燃料量が少ないときほど各噴射の噴射量分割率の差が小さくなるようにこれらを設定する。（構成２）総燃料量が所定量以下であるときに各噴射の噴射量分割率が等しくなるようにこれらを設定する。（構成３）総燃料量が所定量以上であるときに圧縮行程終期における噴射の燃料噴射量が他の噴射の燃料噴射量よりも多くなるように各噴射の噴射量分割率を設定する。

・燃焼向上制御における分割噴射時に、各噴射により噴射される総噴射量に基づいて各噴射の噴射量分割率を可変設定するようにしてもよい。同構成にあっても、上記（構成１）及び（構成２）のように各噴射の噴射量分割率を設定することにより、前記（３）及び（４）に記載した効果に準じた効果が得られるようになる。

・上記実施の形態では、機関温度の指標値としての冷却水温度ＴＨＷに基づいて増量補正量Ｋｃや増量補正係数Ｋｂを算出するようにした。冷却水温度ＴＨＷに代えて、例えば機関潤滑油の温度など、他の機関温度の指標値を用いることができる。また、内燃機関１０に温度センサを設け、同温度センサによって検出される機関温度を用いること等も可能である。

・触媒急速暖機制御の分割噴射時における一回目の燃料噴射時期は、例えば圧縮行程中期や吸気行程終期など、適宜変更可能である。
・燃焼向上制御の分割噴射における二回目の燃料噴射時期は、圧縮行程初期に設定してもよい。

・本発明は、触媒急速暖機制御における分割噴射や燃焼向上制御における分割噴射において、三回以上の時期に分けて燃料を噴射する装置にも適用することができる。
・本発明は、触媒急速暖機制御及び燃焼向上制御のいずれが一方のみが実行される内燃機関の燃料噴射制御装置にも適用することができる。なお、燃焼向上制御のみが実行される装置にあっては、燃料増量度合を始動後経過時間に基づいて算出するようにしてもよい。同構成によれば、機関始動後の経過時間が長いほど機関燃焼室の温度が高くなり噴射燃料の気化が促進されるようになるといった傾向に即して燃料増量度合を設定することができ、実際に燃焼に寄与する燃料の量を確保して燃焼状態の更なる安定を図ることができるようになる。

・本発明は、内燃機関の冷間始動直後における燃料の気化作用の不足を補うために始動完了直後の所定時間（例えば数十秒間）にわたって燃料噴射量を増量補正する制御、いわゆる始動後増量補正制御の実行される装置にも適用することができる。

本発明にかかる内燃機関の燃料噴射制御装置を具体化した一実施の形態の概略構成図。 目標噴射量算出処理の具体的な処理手順を示すフローチャート。 増量補正量算出処理の具体的な処理手順を示すフローチャート。 ベース増量値の算出に用いるＡマップを概略的に示す略図。 噴射量分割率の算出に用いるＣマップを概略的に示す略図。 増量補正量の算出態様の一例を示すタイミングチャート。 増量補正係数算出処理の具体的な処理手順を示すフローチャート。 増量補正係数の算出に用いるマップを概略的に示す略図。 燃焼向上制御における目標噴射量の算出態様の一例を示すタイミングチャート。

符号の説明

１０…内燃機関、１１…吸気通路、１２…燃焼室、１３…排気通路、１４…スロットルバルブ、１５…点火プラグ、１６…燃料噴射弁、１７…排気浄化触媒、２０…電子制御装置、Ｐ…機関ピストン。

Claims (5)

1. 機関冷間時の始動後に燃料を一度に噴射する一括噴射と複数回に分けて噴射する分割噴射との間で燃料噴射形態を切り替える直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   機関運転状態に基づいて設定される燃料噴射量を増量補正するに際し、機関始動後から所定期間が経過するまでは燃料噴射形態を前記分割噴射での燃料増量度合が前記一括噴射での燃料増量度合よりも大きく設定される第１の噴射形態に設定し、その後に燃料噴射形態を前記一括噴射での燃料増量度合が前記分割噴射での燃料増量度合よりも大きく設定される第２の噴射形態に設定するとともに、
   前記第１の噴射形態での一括噴射では燃料を圧縮行程終期に一度に噴射する一方、前記分割噴射では燃料を少なくとも圧縮行程終期を含む複数回の時期に噴射し、前記第２の噴射形態での一括噴射では燃料を吸気行程中に一度に噴射する一方、前記分割噴射では燃料を吸気行程中に複数回に分けて噴射する
   ことを特徴とする直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載の直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記燃料増量度合は機関温度及び始動後経過時間の少なくとも一方に基づいて設定される
   ことを特徴とする直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 燃料噴射形態を前記分割噴射に設定するに際して各噴射の噴射量分割率を設定する分割率設定手段を更に備え、該分割率設定手段は前記分割噴射の各噴射により噴射される総燃料量が少ないときほど前記各噴射の噴射量分割率の差が小さくなるようにこれらを設定する
   請求項１又は２に記載の直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 請求項３に記載の直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記分割率設定手段は前記分割噴射の各噴射により噴射される総燃料量が所定量以下であるときに前記各噴射の噴射量分割率が等しくなるようにこれらを設定する
   ことを特徴とする直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記燃料噴射量の増量補正は機関始動後所定期間が経過するまでの機関アイドル運転時に行われる
   ことを特徴とする直噴式内燃機関の燃料噴射制御装置。

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