JP4438378B2 - 直噴火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、直噴火花点火式内燃機関の制御装置に関し、特に冷間始動時など、排気通路に備えられる排気浄化用の触媒の暖機が要求されている時の好適な制御装置に関する。

特許文献１には、直噴火花点火式内燃機関において、冷間時の始動時には、三元触媒が活性化していないので、吸気行程噴射による均質燃焼の場合、ＨＣが還元されないままで排出されることから、機関の温度を検出し、検出した温度が所定温度を下回る場合には、圧縮行程において理論空燃比よりリーン側に空燃比を調整して燃料を噴射することが記載されている。

冷間時の始動時に、圧縮行程噴射による成層燃焼を行うことで、燃料がシリンダ壁面に付着するのを防止して、ＨＣ排出量を低減することができる。加えて、排気温度が上昇するので、触媒の暖機促進を図ることができる。
特開２０００−１４５５１０号公報

しかしながら、高地など気圧の低い環境下、あるいは外気温が高い環境下では、吸入する空気の密度が低いために、実際に吸入できる空気質量が小さくなることから、安定した燃焼が難く、成層燃焼で運転を行おうとした場合に必要なエンジントルクを発生できずに始動性不良を引き起こす。また、始動できた場合でも、エンジンの暖機途上において安定した成層燃焼の維持が難しく、また、例えば、始動後に補機負荷が増加した場合にエンジントルクが不足して運転性の悪化を引き起こす。

本発明は、このような実状に鑑み、触媒の暖機が要求されている時に、環境条件に応じた最適な燃焼制御を実現することを目的とする。

このため、本発明は、排気通路に排気浄化用の触媒を備え、触媒の暖機が要求されているときに、始動時より、圧縮行程噴射による成層燃焼を行う直噴火花点火式内燃機関において、
機関温度条件から空気密度の基準値を求め、始動時に空気密度をこの基準値と比較して、この基準値よりも空気密度が低い条件では、圧縮行程噴射による成層燃焼始動を禁止し、始動から触媒活性化までの間、燃料噴射の少なくとも一部を吸気行程噴射とする燃焼を行わせることを特徴とする。

本発明によれば、空気密度が低い条件では、圧縮行程噴射による成層燃焼を禁止し、燃料噴射の少なくとも一部を吸気行程噴射とする燃焼を行わせることで、始動性を確保し、運転性の悪化を回避することができる。
尚、圧縮行程噴射による成層燃焼の場合には、空気の利用率が低いので、十分に空気を吸えないと、トルクを出せないが、吸気行程噴射による均質燃焼、又は、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とによる二度噴射燃焼（弱成層燃焼）の場合には、空気の利用率が高くなるので、少ない空気でもそれを使ってトルクを出すことができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すエンジン（直噴火花点火式内燃機関）のシステム図である。
エンジン１の吸気通路２には、吸入空気量を制御する電制スロットル弁３が設置されている。電制スロットル弁３は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２０からの信号により作動するステップモータ等により開度制御される。

エンジン１の燃焼室４には、点火プラグ５と共に、燃料噴射弁６が設置されている。
燃料噴射弁６は、ＥＣＵ２０からエンジン回転に同期して吸気行程又は圧縮行程にて出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射するようになっている。そして、噴射された燃料は、吸気行程噴射の場合は燃焼室４全体に拡散して均質な混合気を形成し、また圧縮行程噴射の場合は点火プラグ５周りに集中的に層状の混合気を形成し、ＥＣＵ２０からの点火信号に基づき、点火プラグ５により点火されて燃焼（均質燃焼又は成層燃焼）する。

エンジン１の排気通路７には、排気浄化用の触媒８が設けられている。
ＥＣＵ２０には、アクセルペダルセンサ２１により検出されるアクセル開度ＡＰＯ、クランク角センサ２２により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、熱線式エアフローメータ２３により検出される吸入空気量Ｑａ、スロットルセンサ２４により検出されるスロットル開度ＴＶＯ、水温センサ２５により検出されるエンジン冷却水温度Ｔｗが入力されている。また、必要により、大気圧力Ｐatm を検出する大気圧センサ２６、外気温度（吸気温度）Ｔatm を検出する外気温センサ２７が装備され、これらの検出信号もＥＣＵ２０に入力されている。

ＥＣＵ２０は、これらの入力信号より検出されるエンジン運転条件に基づいて、燃焼方式（均質燃焼、成層燃焼）を設定し、これに合わせて、電制スロットル弁３の開度、燃料噴射弁６の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグ５の点火時期を制御する。尚、通常運転条件（暖機完了後）において、成層燃焼は、Ａ／Ｆ＝３０〜４０程度の極リーンで行われる（成層リーン燃焼）。均質燃焼には、均質リーン燃焼（Ａ／Ｆ＝２０〜３０）と、均質ストイキ燃焼とがある。

本発明は、冷間始動時を含め、触媒８の暖機が要求されている時に、環境条件に応じた最適な燃焼制御を実現するものであり、これは、ＥＣＵ２０により、始動時〜暖機中制御として、図２のフローチャートに従ってなされる。
図２の始動時〜暖機中制御のフローチャートについて説明する。
Ｓ１では、始動時に、環境条件を判断し、空気密度の低い条件で成層燃焼（成層始動）を禁止するようにフラグの設定を行う。これは、具体的には、図３の環境条件判断サブルーチンに従ってなされる。

Ｓ１１では、大気圧センサ２６により大気圧力Ｐatm を検出する。大気圧センサ２６を装備しない場合は、エンジン停止前に、スロットル開度ＴＶＯ、吸入空気量Ｑａから大気圧力Ｐatm を学習して記憶しておき、始動時に学習値を読込むようにする。この学習は、例えば、スロットル全閉のアイドル運転条件にて、予め定められている基本目標吸入空気量Ｑｍに対する実際の吸入空気量Ｑａの比に基づいて、行うことができる。

Ｓ１２では、外気温センサ２７により外気温度Ｔatm を検出する。そして、Ｓ１３では、大気圧力Ｐatm 及び外気温度Ｔatm より、空気密度ρatm を計算する。
Ｓ１４では、水温センサ２５により冷却水温度Ｔｗを検出する。そして、Ｓ１５では、図４のようなテーブルを参照して、冷却水温度Ｔｗより空気密度基準値（成層燃焼での要求空気密度）ρstを設定する。このテーブルでは、冷却水温度Ｔｗが低いほど、空気密度基準値ρstを大きくするようにしてある。エンジン温度が低いほど、摩擦損失が増大して、必要空気量が多くなるので、成層燃焼での要求空気密度が高くなるからである。

Ｓ１６では、Ｓ１３で計算した空気密度ρatm と、Ｓ１５で設定した空気密度基準値ρstとを比較し、ρatm ＜ρst（空気密度が基準値以下の条件）か否かを判定する。この結果、ＮＯ（ρatm ＞ρst）のときは、Ｓ１７へ進み、成層禁止フラグ＝０として、成層始動を許可する。これに対し、ＹＥＳ（ρatm ＜ρst）のときは、Ｓ１８へ進み、成層禁止フラグ＝１として、成層始動を禁止する。以上で、図３のサブルーチンを終了し、図２のメインルーチンへ戻る。

Ｓ２では、触媒８が活性化しているか否かを判定する。具体的には、触媒温度センサを有する場合は、これにより触媒温度を検出する。触媒温度センサを有しない場合は、冷却水温度Ｔｗより触媒温度を推定する。又は、始動時の冷却水温度と、始動後の吸入空気量の積算値とに基づいて、触媒温度を推定する。そして、検出又は推定された触媒温度が所定の活性温度以上か否かを判定する。

触媒が活性化している場合は、Ｓ６へ進んで、通常制御へ移行し、暖機中制御を終了する。通常制御では、運転条件に応じ、前述した成層リーン燃焼、均質リーン燃焼、均質ストイキ燃焼などがなされる。
触媒が活性化していない場合は、Ｓ３へ進む。
Ｓ３では、Ｓ１（図３のサブルーチン）にて設定した成層禁止フラグの値を判定し、成層禁止フラグ＝０の場合は、Ｓ４へ進み、始動時より、圧縮行程噴射による成層燃焼を行う。

成層燃焼では、空燃比をストイキ、より好ましくは、ストイキより若干リーン（Ａ／Ｆ＝１５〜１６）に設定し、圧縮行程の後期噴射にて燃料を噴射して点火プラグ周りに層状にリッチな混合気を形成して、成層燃焼を行わせる。また、このとき、点火時期（冷却水温度Ｔｗに基づいて設定される基本点火時期）を遅角側に補正する（成層リタード燃焼）。

空気密度が低い条件で、成層禁止フラグ＝１の場合は、Ｓ５へ進み、始動時より、吸気行程噴射による均質燃焼（又は、後述するように、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とによる二度噴射燃焼）を行う。
均質燃焼では、空燃比をストイキに設定し、吸気行程にて燃料を噴射して燃焼室全体に均質な混合気を形成して、均質燃焼を行わせる。また、このときも、点火時期を遅角側に補正する（均質リタード燃焼）。

Ｓ４又はＳ５の後は、Ｓ２へ戻り、始動後も、暖機中は制御が続行される。暖機中制御により、触媒８が活性化すると、Ｓ２からＳ６へ進んで、通常制御へ移行する。
冷間状態での成層燃焼は、点火プラグ周りに濃い混合気を集めることで燃焼安定性が向上する。また、燃焼室壁面に付着する燃料が少なくなるのでエンジンから排出されるＨＣのレベルを下げることができる。ロバスト性が低い問題があるものの、燃焼安定性が向上するので、その分、点火時期をリタードでき、触媒の暖機促進のための排気温度上昇を図ることができる。

しかし、空気密度が低い条件では、実際に吸入できる空気質量が小さくなることから、成層燃焼で運転を行おうとした場合に十分な量の空気を吸入することができず、その結果、必要なエンジントルクを発生できずに安定した燃焼が得られずに始動性不良を引き起こす。また、始動できた場合でも、エンジンの暖機途上において安定した成層燃焼の維持が難しく、また、例えば、始動後に補機負荷が増加した場合にエンジントルクが不足して運転性の悪化を引き起こす。

そこで、空気密度の低い条件では、圧縮行程噴射による成層燃焼を禁止し、吸気行程噴射による均質燃焼を行わせることで、始動性を確保し、運転性の悪化を回避する。吸気行程噴射による均質燃焼の場合には、空気の利用率が高くなるので、少ない空気でもそれを使ってトルクを出すことができるからである。均質燃焼の場合、成層燃焼に比べてＨＣ排出量は大となるが、点火時期を可能な限りリタードすることで、触媒の暖機促進のための排気温度上昇を図ることができる。

次に本発明の第２実施形態について図５及び図６により説明する。
図５は第２実施形態での環境条件判断サブルーチンである。
Ｓ２１では、大気圧センサ２６により大気圧力Ｐatm を検出する。大気圧センサ２６を装備しない場合は、前述のように学習値を読込むようにする。
Ｓ２２では、水温センサ２５により冷却水温度Ｔｗを検出する。そして、Ｓ２３では、図６のようなテーブルを参照して、冷却水温度Ｔｗより大気圧力基準値（成層燃焼での要求大気圧力）Ｐstを設定する。このテーブルでは、冷却水温度Ｔｗが低いほど、大気圧力基準値Ｐstを高くするようにしてある。エンジン温度が低いほど、摩擦損失が増大して、必要空気量が多くなるので、成層燃焼での要求大気圧力が高くなるからである。

Ｓ２４では、Ｓ２１で検出した大気圧力Ｐatm と、Ｓ２３で設定した大気圧力基準値Ｐstとを比較し、Ｐatm ＜Ｐst（大気圧力が基準値以下の条件）か否かを判定する。この結果、ＮＯ（Ｐatm ＞Ｐst）のときは、Ｓ２５へ進み、成層禁止フラグ＝０として、成層始動を許可する。これに対し、ＹＥＳ（Ｐatm ＜Ｐst）のときは、Ｓ２６へ進み、成層禁止フラグ＝１として、成層始動を禁止する。

このように、空気密度の低い条件を、大気圧力が基準値以下の条件とすることで、より簡易に制御できる。
次に本発明の第３実施形態について図７及び図８により説明する。
図７は第３実施形態での環境条件判断サブルーチンである。
Ｓ３１では、外気温センサ２７により外気温度Ｔatm を検出する。

Ｓ３２では、水温センサ２５により冷却水温度Ｔｗを検出する。そして、Ｓ３３では、図８のようなテーブルを参照して、冷却水温度Ｔｗより外気温度基準値（成層燃焼での要求外気温度）ρstを設定する。このテーブルでは、冷却水温度Ｔｗが低いほど、外気温度基準値ρstを低くするようにしてある。エンジン温度が低いほど、摩擦損失が増大して、必要空気量が多くなるので、成層燃焼での要求外気温度が低くなるからである。

Ｓ３４では、Ｓ３１で検出した外気温度Ｔatm と、Ｓ３３で設定した外気温度基準値Ｔstとを比較し、Ｔatm ＞Ｔst（外気温度が基準値以上の条件）か否かを判定する。この結果、ＮＯ（Ｔatm ＜Ｔst）のときは、Ｓ３５へ進み、成層禁止フラグ＝０として、成層始動を許可する。これに対し、ＹＥＳ（Ｔatm ＞Ｔst）のときは、Ｓ３６へ進み、成層禁止フラグ＝１として、成層始動を禁止する。

このように、空気密度の低い条件を、外気温度が基準値以上の条件とすることで、より簡易に制御できる。
尚、以上の説明では、触媒の暖機が要求されているときに、空気密度の低い条件で、圧縮行程噴射による成層燃焼を禁止し、吸気行程噴射による均質燃焼を行うようにしたが、圧縮行程噴射による成層燃焼を禁止し、吸気行程噴射と圧縮行程噴射による二度噴射燃焼（弱成層燃焼）を行うようにしてもよい。

二度噴射燃焼では、空燃比をストイキ、又は若干リーン（Ａ／Ｆ＝１５〜１６）に設定し、燃料噴射を２回に分割して、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とを行い、点火プラグ周りに比較的リッチな混合気を形成し、その周囲に比較的リーンな混合気を形成して、弱成層燃焼を行わせる。また、このときも、点火時期を遅角側に補正する（二度噴射リタード燃焼）。

二度噴射燃焼は、空気の利用率という点で、均質燃焼よりは劣るが、成層燃焼よりは優れるので、空気密度の低い条件で、成層燃焼よりはトルクをかせぐことができる。
一方、冷間状態での二度噴射燃焼は、点火プラグ回りに比較的リッチな混合気を形成し、その周囲に比較的リーンな混合気を形成することから、燃焼室壁面への燃料の付着という観点で、ＨＣ低減効果は、成層燃焼より劣るものの、均質燃焼よりは優れる。また、燃料を燃焼室全体に行き渡らせているので、燃焼を安定させることができ、点火時期のリタードによる排気温度上昇も可能である。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 始動時〜暖機中制御のフローチャート 環境条件判断サブルーチン（１）のフローチャート 基準値設定用テーブル（１）を示す図 環境条件判断サブルーチン（２）のフローチャート 基準値設定用テーブル（２）を示す図 環境条件判断サブルーチン（３）のフローチャート 基準値設定用テーブル（３）を示す図

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
３ 電制スロットル弁
４ 燃焼室
５ 点火プラグ
６ 燃料噴射弁
７ 排気通路
８ 触媒
２０ ＥＣＵ
２１ アクセルペダルセンサ
２２ クランク角センサ
２３ エアフローメータ
２４ スロットルセンサ
２５ 水温センサ
２６ 大気圧センサ
２７ 外気温センサ

Claims (7)

1. 排気通路に排気浄化用の触媒を備え、触媒の暖機が要求されているときに、始動時より、圧縮行程噴射による成層燃焼を行う直噴火花点火式内燃機関において、
   機関温度条件から空気密度の基準値を求め、始動時に空気密度をこの基準値と比較して、この基準値よりも空気密度が低い条件では、圧縮行程噴射による成層燃焼始動を禁止し、始動から触媒活性化までの間、燃料噴射の少なくとも一部を吸気行程噴射とする燃焼を行わせることを特徴とする直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料噴射の少なくとも一部を吸気行程噴射とする燃焼は、吸気行程噴射による均質燃焼であることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
3. 前記燃料噴射の少なくとも一部を吸気行程噴射とする燃焼は、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とよる二度噴射燃焼であることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
4. 前記空気密度が低い条件は、大気圧力と外気温度とから空気密度を算出し、算出された空気密度が基準値以下の条件とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
5. 前記空気密度が低い条件は、大気圧力が基準値以下の条件とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
6. 前記大気圧力は、機関停止前に、スロットル開度、吸入空気量から学習することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
7. 前記空気密度が低い条件は、外気温度が基準値以上の条件とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。

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