JP4023115B2 - 直噴火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式エンジンの制御装置に関し、特に、運転状態に応じて燃焼方式を切り換えるエンジンにおける燃焼方式切り換え時の点火時期制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃費や排気浄化性能の向上を目的として、エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射供給して成層燃焼を行わせる直噴火花点火式エンジンが、採用されてきている。
同上の直噴火花点火式エンジンにおいて、排気浄化触媒の昇温活性化促進のため、燃料を吸気行程と圧縮行程とで分割して噴射することにより、点火栓周りに空燃比がストイキよりリッチな空燃比の成層混合気を形成し、その外側にストイキよりリーンな空燃比の混合気を形成して、燃焼させるようにしたものがある（特開平１０−２１２９８７号参照）。
【０００３】
即ち、点火栓周りの比較的リッチな混合気の初期燃焼で燃焼速度を早めつつ、リーン混合気による主燃焼へ移行させることにより、点火時期のリタードを可能とし、最後に点火栓付近で余剰燃料による後燃えを発生させることなどによって、ＨＣ,ＮＯｘ等の排出を抑制しつつ排気温度を上昇させて、排気浄化触媒の活性化促進を図っている。なお、点火栓周りの混合気の空燃比はストイキとする場合もあり、以下、このようにして形成された混合気の燃焼を成層ストイキ燃焼と称して説明する。
【０００４】
ところで、上記のように排気温度昇温条件で成層ストイキ燃焼を行うエンジンでは、低温始動時には、まず安定した燃焼性を確保するため燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼する均質燃焼を行い、次いで排気温度上昇の要求から前記成層ストイキ燃焼を行い、排気浄化触媒が活性化した後、均質リーン燃焼に切り換えられ、更に運転要求に応じて成層リーン燃焼、均質ストイキ燃焼に切り換えられる。
【０００５】
しかしながら、成層ストイキ燃焼は燃料と空気とを十分に混合させた均質燃焼に比較して熱効率が低いため、成層ストイキ燃焼とその前後の均質燃焼とを切り換えるときにトルク段差が発生し、運転性が損なわれてしまうという問題を生じる。
このため、上記のような燃焼の切り換え時に、トルク段差を抑制するための点火時期補正を行うことが考えられる。例えば、均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換え時は、切り換えと同時に点火時期を所定量進角させることで、トルク段差を解消できる。そして、燃焼切り換え後、成層ストイキ燃焼における排気温度上昇効果を確保するように、トルク許容範囲（燃焼安定限界）まで徐々に遅角させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方式（図では従来制御として示す）では、燃焼切り換え時のトルク段差解消を考慮した運転条件（燃料噴射時期,燃料噴射量）で、トルク許容範囲を満たす最終的な遅角後の点火時期が設定されるため、成層ストイキ燃焼における最適な点火時期まで遅角されず、排気昇温による触媒活性効果を最大限に高めることができない。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、燃焼切り換え時のトルク段差を十分に解消しつつ、成層ストイキ燃焼による触媒活性効果を最大限高めることができるようにした直噴火花点火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
エンジン運転状態に応じて、
１回の燃料噴射で燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼させる均質燃焼と、
機関の排気通路に配設された排気浄化触媒の昇温が要求されたときに行われ、圧縮行程での燃料噴射で点火栓周りに空燃比がストイキもしくはストイキよりリッチな混合気を形成し、吸気行程での燃料噴射でその外側にストイキよりリーンな混合気を形成して燃焼させる成層ストイキ燃焼と、
を切り換えるエンジンにおいて、
前記均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換え時、燃焼切り換えと同時に点火時期をトルク段差吸収分進角し、燃焼切り換え後は点火時期を徐々に遅角し、点火時期を前記遅角前の燃料噴射時期に応じた遅角限界近傍まで遅角後、成層ストイキ燃焼での圧縮行程における燃料噴射時期を遅角するとともに、点火時期をさらに遅角することを特徴とする。
【０００９】
請求項１に係る発明によると、
燃焼切り換え時には、点火時期を燃焼切り換え時の燃料噴射時期に応じた進角限界近傍まで進角させてトルク段差を十分に解消することができる。次いで、徐々に遅角して所定量遅角した後、当該成層ストイキ燃焼の燃焼安定性を保ちうる範囲で、圧縮行程における燃料噴射時期を遅角するとともに点火時期をさらに遅角する。このように成層ストイキ燃焼における安定限界まで燃料噴射時期と共に点火時期を遅角させることにより、排気温度を可能な限り高めることができ、触媒活性効果を最大限高めることができる。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼時の燃焼室全体の平均空燃比を、略ストイキとすることを特徴とする。
請求項２に係る発明によると、
成層ストイキ燃焼時の燃焼室全体の平均空燃比を、略ストイキとすることで、成層ストイキ燃焼の排気昇温効果を十分に高められる。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、
前記燃料噴射時期の遅角とともに行う点火時期の遅角の開始時期を、エンジン回転速度が高いときほど遅くすることを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
エンジン回転速度が高くなると、排気流量、排気温度が増大して触媒昇温効果が高められるので、その分、燃料噴射時期と共に行う点火時期の遅角を遅く開始させることにより、燃費の悪化を防止できる。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、
前記燃料噴射時期の遅角とともに行う点火時期の遅角の開始時期を、エンジン負荷が高いときほど遅くすることを特徴とする。
請求項４に係る発明によると、
エンジン回転速度と同様、エンジン負荷が高いときも、排気流量、排気温度が増大して触媒昇温効果が高められるので、その分、燃料噴射時期と共に行う点火時期の遅角を遅く開始させることにより、燃費の悪化を防止できる。
【００１４】
また、請求項５に係る発明は、
前記均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換え前に、点火時期を徐々に遅角しておくことを特徴とする。
請求項５に係る発明によると、
均質燃焼時は点火時期をＭＢＴまたは進角限界近傍等まで進角させて燃焼効率の高い燃費の良い運転を行い、成層ストイキ燃焼への切り換え要求があってから、実際の燃焼切り換えの前に点火時期をトルク変化を抑制しながら徐々に遅角しておくことで、燃焼切り換え時のトルク段差解消分の進角代を確保することができる。
【００１５】
また、請求項６に係る発明は、
前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時は、成層ストイキ燃焼での圧縮行程における燃料噴射時期を進角するとともに点火時期を進角し、点火時期をさらに徐々に進角した後、燃焼を切り換えると同時に点火時期をトルク段差吸収分遅角し、燃焼切り換え後は点火時期を均質燃焼に適合した時期まで徐々に進角することを特徴とする。
【００１６】
請求項６に係る発明によると、
成層ストイキ燃焼で圧縮行程時の燃料噴射時期と共に点火時期を遅角した分を進角して戻した上で、点火時期を均質燃焼に適合したＭＢＴまたは進角限界等までトルク変化を抑制しながら徐々に進角することにより、燃焼効率の高い燃費の良い運転を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。
本発明の、実施形態のシステム構成を示す図１において、エンジン（内燃機関）１の吸気通路２には吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ３及び吸入空気流量Ｑａを制御するスロットル弁４が設けられる。
【００１８】
また、各気筒の燃焼室に臨ませて、燃料噴射弁５が設けられている。前記燃料噴射弁５は、前記コントロールユニット５０において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータ（図示せず）により所定圧力に制御された燃料を燃焼室内に直接噴射供給することができるようになっている。
【００１９】
なお、燃焼室に臨んで装着されて、コントロールユニット５０からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う点火栓６が、各気筒に設けられている。
一方、排気通路７には、排気中の特定成分（例えば、酸素）濃度を検出することによって排気延いては吸入混合気の空燃比を検出する空燃比センサ８（リッチ・リーン出力する酸素センサであっても良いし、空燃比をリニアに広域に亘って検出する広域空燃比センサであってもよい）が設けられ、その下流側には、排気を浄化するための排気浄化触媒９が介装されている。なお、排気浄化触媒９としては、ストイキつまり理論空燃比｛λ＝１、Ａ／Ｆ（空気重量／燃料重量）・１４．７｝近傍において排気中のＣＯ，ＨＣの酸化とＮＯｘの還元を行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中のＣＯ，ＨＣの酸化を行う酸化触媒、或いは理論空燃比近傍において三元機能は発揮し、リーン空燃比において排気中のＮＯｘをトラップし、ストイキ乃至リッチ空燃比になったときにトラップしたＮＯｘを還元放出するＮＯｘトラップ触媒等を用いることができる。
【００２０】
更に、前記排気浄化触媒９の排気下流側には、排気中の特定成分（例えば、酸素）濃度を検出し、リッチ・リーン出力する下流側酸素センサ１０が設けられるようになっている。
ここでは、下流側酸素センサ１０の検出値により、空燃比センサ８の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を補正することで、空燃比センサ８の劣化等に伴う制御誤差を抑制する等のために（所謂ダブル空燃比センサシステム採用のために）、前記下流側酸素センサ１０を設けて構成したが、空燃比センサ８の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行わせるだけで良い場合には、かかる下流側酸素センサ１０は省略することができるものである。また、空燃比フィードバック制御を行わない場合には、空燃比センサ８と下流側酸素センサ１０を共に省略することができるものである。
【００２１】
ところで、空燃比センサ８は、排気浄化触媒９の排気上流側に設けられ、かつ熱容量も小さいので、排気浄化触媒９に比べれば、活性化速度は極めて速い。また、空燃比センサ８を電熱ヒータ等により強制的に昇温（活性化）させることもできるから、成層ストイキ燃焼中（排気浄化触媒９の暖機過程中）に、当該空燃比センサ８の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御を行うことは可能である。
【００２２】
そこで、本実施の形態では、始動後直ちに空燃比センサ８を活性化させて、後述する成層ストイキ燃焼時に、燃焼室全体の空燃比がストイキとなるように、空燃比センサ８の検出値に基づいて、フィードバック制御する。
また、クランク角センサ１１が備えられており、コントロールユニット５０では、該クランク角センサ１１からエンジン回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントして、又は、クランク基準角信号の周期を計測してエンジン回転速度Ｎｅを検出できるようになっている。
【００２３】
そして、エンジン１の冷却ジャケットに臨んで設けられ、冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１２が設けられている。
更に、前記スロットル弁４の開度を検出するスロットルセンサ１３（アイドルスイッチとしても機能させることができる）が設けられている。
ところで、本実施形態においては、前記スロットル弁４の開度を、ＤＣモータ等のアクチュエータにより制御することができるスロットル弁制御装置１４が備えられている。
【００２４】
当該スロットル弁制御装置１４は、アクセル開度等に基づき演算される要求トルクを達成できるように、コントロールユニット５０からの駆動信号に基づき、スロットル弁４の開度を電子制御するものとして構成することができる。
前記各種センサ類からの検出信号は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなるコントロールユニット５０へ入力され、当該コントロールユニット５０は、前記センサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、前記スロットル弁制御装置１４を介してスロットル弁４の開度を制御し、前記燃料噴射弁５を駆動して燃料噴射量(燃料供給量)を制御し、点火時期を設定して該点火時期で前記点火栓６を点火させる制御を行う。
【００２５】
なお、例えば、所定運転状態（低・中負荷領域など）で燃焼室内に圧縮行程で燃料噴射して、燃焼室内の点火栓６周辺に可燃混合気を層状に形成して成層燃焼を行うことができる一方、他の運転状態（高負荷領域など）では燃焼室内に吸気行程で燃料噴射して、シリンダ全体に略均質な混合比の混合気を形成して均質燃焼を行うことができるように、燃料噴射時期（噴射タイミング）についても、運転状態などに応じて変更可能に構成されている。
【００２６】
以下、本発明にかかる燃焼切り換え時の制御について説明する。
成層ストイキ燃焼において圧縮行程中に噴射されて燃焼室内に形成された混合気層の点火栓周り空燃比はストイキよりリッチとなっており、所謂層状燃焼による混合気形成と同様な燃焼形態と考えられる。このような燃焼においては燃料の噴射時期と点火時期による燃焼性能において燃焼安定性に相関がある。図２に示すように、圧縮行程噴射での点火栓近傍での可燃混合気の形成には燃料噴射からある一定の時間（燃料の気化する時間）が必要であることがわかる。また、成層ストイキ燃焼における排気昇温効果を高めるためには、燃焼時期を遅らせればよく、そのため燃料噴射時期を遅らせると、図３にも示すように、前記燃料気化時間確保のため点火時期も遅らせる必要がある。
【００２７】
前記のような燃焼特性から、均質燃焼から成層ストイキ燃焼へ移行する場合の点火時期制御形態は、図８で示すように燃焼切り換え時の発生トルクを合わせるために均質燃焼時で点火時期を遅角させてトルクを低下させ（図８［Ａ］→［Ｂ］）、まさに成層ストイキ燃焼に切り換えるときに、点火時期を一気に進角させ直後のトルク段差が極力発生しないようにする（図８［Ｂ］→［Ｃ］）。
【００２８】
しかし、既述したように、燃焼切り換え時のトルク段差を解消するため、すなわち、点火時期をトルク段差分十分に進角させるために、成層ストイキ燃焼では可能な限り進角側に設定できるような燃料噴射時期を選択しているため、その後の点火時期遅角制御を前記燃料噴射時期に合わせて行うと、遅角限界が制約されてしまう（図８で、遅角限界が［Ｄ’］に留まる）。
【００２９】
このような現象に鑑み、本発明では、成層ストイキ燃焼への切り換え時のトルク段差の解消は上記の通り行って十分に解消しながら、成層ストイキ燃焼の目的である排気温度の昇温を最大限に促進させるようにした。
図４は、均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換え時の様子を示す。均質燃焼からの切り換え直後の成層ストイキ燃焼の点火時期は、上記の通りトルク段差を解消できる進角代を確保できるように進角側に設定された燃料噴射時期に合わせて設定されたものである。即ち、切り換え要求に合った点火時期の進角値を取ることができるので、切り換え時のトルク段差を十分に解消することができる。
【００３０】
次いで、本来の成層ストイキ燃焼の後燃え効果による昇温性を向上させるために、成層ストイキ切り換え後から点火時期の遅角制御が実施される。上述のように、燃焼切り換え時の燃料噴射時期のまま点火時期を遅角制御すると、遅角限界が限定されてしまうので、これを解消するために、図３で説明した燃焼安定性を維持しつつ遅角限界をより遅角側にシフトさせるようにする。
【００３１】
この手法として、燃焼切り換え時の燃料噴射時期における点火時期の遅角限界が来る前に燃料噴射時期と同時に点火時期を遅角させることで、更に点火時期を遅角させることが可能となる。この結果、最終的な点火時期をより遅角側に制御することができ、燃焼室内、更には排気管内での後燃え燃焼が促進され排気昇温が可能となり、触媒活性を最大限促進して排気浄化効率を向上させることができる。
【００３２】
ここで、成層ストイキ燃焼用への切り換え直後から燃料噴射時期と同期させて点火時期を遅角側に設定する（図３の△、図８の［Ｃ’］）ことも可能であるが、そのようにすると、燃焼切り換え時の進角代が狭められて発生トルクが減少し（図８のΔＴ）、切り換え時のトルク段差発生により運転性の悪化が起きてしまう。
【００３３】
このような理由から、切り換え直後からの点火時期の設定は燃料噴射時期と同期させず、トルク段差を解消してから燃料噴射時期と同期した点火時期の遅角制御を行うようにする。
次に、本実施形態での点火時期と噴射時期の同期制御について説明する。
図４において、１つの実施形態（第１の実施形態）では、均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換えが実施されたあとの点火時期遅角制御で、遅角制御（遅角演算）を開始してからの経過時間Ｔ１で燃料噴射時期と同期させて遅角させて目標点火時期（遅角限界）まで遅角させる。Ｔ１は、点火時期の遅角を開始してから遅角前の燃料噴射時期に応じた点火時期の遅角限界近傍に達するまでの時間であり、その間の遅角量と、点火時期演算における時間当たりの遅角割合とから決定される。また、ここでの点火時期の遅角量は燃料噴射時期の遅角量と略同等値を設定してある。
【００３４】
図５は、成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時の様子を示す。成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え判定後、経過時間Ｔ３後に燃料噴射時期と同期して点火時期を進角させる。その後は均質燃焼への切り換え前のトルク段差を解消させるために、目標点火時期まで進角させる。切り換え時に一気に所定量遅角し、それ以降は運転状態に合わせて、ＭＢＴもしくは進角限界まで徐々に進角させて制御を終了する。
【００３５】
次に、均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換え時のトルク段差解消及び排気昇温の制御をするための、前記第１の実施形態の制御について、より詳細に説明する。
まず、均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換え時の点火時期補正制御を図６に示したフローチャートに従って説明する。
【００３６】
ステップ１では、成層ストイキ燃焼が許可されているか否かを判定する。
そして、成層ストイキ燃焼が許可されているとき、つまり、現在の均質燃焼から排気温度上昇用の成層ストイキ燃焼への切り換え要求が発生しているときには、ステップ２へ進む。
ステップ２では、燃焼切り換え時のトルク段差を抑制するために必要な点火時期遅角補正制御を開始し、遅角割合の初期値を０％に設定する。即ち、均質燃焼から成層ストイキ燃焼に切り換える場合は、熱効率が低い成層ストイキ燃焼への切り換え時のトルク低下を無くすためのトルクを増大補正する必要があるが、現在の均質燃焼では、点火時期は、所定の燃費（あるいは機関安定性）を達成できるようにＭＢＴ（最大トルク発生点火時期）に制御されているので、そのままではトルクを増大補正するための点火時期の進角補正代がない。そこで、燃焼切り換え時のトルク増大補正が可能な進角代を確保できるまで点火時期を徐々に遅角する補正を行う。
【００３７】
ステップ３では、前記遅角補正を徐々に行うために、遅角割合を所定量インクリメントする。具体的には、単位時間（例えば１０ｍｓ）毎にａ％（例えば１％）ずつ遅角割合を増加させる。
ステップ４では、遅角量を算出する。具体的には、まず、エンジン回転速度と負荷（基本燃料噴射量Ｔｐ等）とに基づいて、前記燃焼切り換え時にトルク段差を解消できるトルク増大補正が可能となる進角補正代を確保できるように、目標遅角点火時期を、マップからの検索等で算出し、次式により、逐時の遅角量を算出する。
【００３８】
遅角量＝（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）×遅角割合
ステップ５では、最終的に点火時期を次式により算出する。
点火時期＝ＭＢＴ−遅角量
このようにして、燃焼切り換え要求発生後、点火時期が徐々に遅角させて前記目標遅角点火時期に近づけられる（図８［Ａ］→［Ｂ］）。
【００３９】
ステップ６では、前記目標遅角点火時期に達したか否かを、前記遅角割合が１００％となったか等によって判定し、目標遅角点火時期に達するまで、ステップ３に戻って、徐々に遅角補正させる。
そして、前記目標遅角点火時期に達したと判定されたときに、ステップ７へ進んで、燃焼を均質燃焼から成層ストイキ燃焼に切り換える。具体的には、燃料噴射弁から燃料噴射を吸気行程から吸気行程及び圧縮行程噴射（分割噴射）に切り換えて、成層ストイキ燃焼に切り換える。
【００４０】
さらに、ステップ８へ進んで、前記燃焼切り換えと同時に前記遅角割合を０に設定することにより、点火時期を前記遅角補正開始前のＭＢＴに戻す（図８［Ｂ］→［Ｃ］）。即ち、前記総遅角補正分を一気に進角方向に補正することにより、燃焼切り換え時のトルク段差（図８のα）の発生を解消する。これにより、安定した運転性を確保できる。
【００４１】
ステップ９以降では、該切り換え後の成層ストイキ燃焼における最適な目標点火時期に徐々に近づける制御を行う。
まず、ステップ９では、遅角割合を所定量インクリメントする。具体的には、前記ステップ３と同様に単位時間（例えばｌ０ｍｓ）毎にａ％（例えば１％）ずつ遅角割合を増加させる。
【００４２】
そして、ステップ１０では逐次の遅角量を算出する。即ち、エンジン回転速度と負荷（基本燃料噴射量Ｔｐ等）とに基づいて、成層ストイキ燃焼での目標遅角点火時期を、マップからの検索等で算出し、次式により、逐次の遅角量を算出する。
遅角量＝（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）×遅角割合
ここでは、前記成層ストイキ燃焼での目標遅角点火時期は、例えば、機関安定限界（運転性）内で最大限遅角（リタード）させるようになっている。このようにすれば、最大限排気温度を上昇させることができる。但し、従来の燃焼形態と同等の機関安定性を達成する程度に点火時期を大幅に遅角できるから、従来に対して排気温度の上昇効果は大きなものとすることができる。
【００４３】
ステップ１１では、最終的に点火時期を次式により算出する。
点火時期＝ＭＢＴ−遅角量
このようにして、燃焼切り換え後、点火時期が徐々に遅角されて成層ストイキ燃焼での目標遅角点火時期に近づけられる（図８［Ｃ］→［Ｄ’］）。
ステップ１２では、本制御である更なる点火時期遅角を実行するための条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、前記の成層ストイキ燃焼切り換え後に燃焼の切り換え要求がなく、点火時期遅角要求中であるかを判定し、遅角要求中であれば、ステップ１３へ進む。
【００４４】
ステップ１３では、ステップ１１で演算された点火時期が現在の燃料噴射時期における点火時期遅角限界（運転性の燃焼安定限界）に達しているか否かを判定する。すなわち、ステップ１１での演算値（Ｃ／Ｕ５０内で予め計算された）と、エンジン回転速度および負荷（基本燃料噴射量Ｔｐ等）に基づいてマップから検索等で算出した目標遅角点火時期と比較して目標遅角点火時期に達したか否かを判定する。
【００４５】
ステップ１３で、点火時期が目標遅角点火時期に達していないと判定したときは、このルーチンを終了する。これにより、ステップ１１で設定された点火時期に制御される。具体的には、Ｃ／Ｕ５０から設定された点火時期に出力された信号により点火栓６が駆動されて点火される。
一方、ステップ１３で、点火時期が目標遅角点火時期に達したと判定したときは、ステップ１４へ進む。
【００４６】
ステップ１４では、最終的な燃料噴射時期（圧縮行程時）と点火時期とを、それぞれ次式により算出する。
燃料噴射時期（圧縮行程時）＝直前の燃料噴射時期算出値−所定遅角量
点火時期＝直前の点火時期算出値−所定遅角量
ここで、直前の燃料噴射時期算出値は別ルーチンで算出された最新の燃料噴射時期であり、直前の点火時期算出値はステップ１１で算出された点火時期である。
【００４７】
前記燃料噴射時期における所定遅角量と、点火時期における所定遅角量とは結果的に略同一値であってよいが、燃料噴射時期の遅角量に応じて点火時期の遅角限界が遅角側にシフトするので、該シフト分を点火時期の遅角量として設定すればよい。
これにより、成層ストイキ燃焼の圧縮行程での燃料噴射時期が遅角されるのに同期して点火時期が遅角され、従来に比して点火時期がより遅角側に制御される（図８［Ｄ’］→［Ｄ］）。
【００４８】
このようにすれば、成層ストイキ燃焼へ切り換えが行われたあと、点火時期を最大限に遅角設定できて、後燃え効果による排気昇温効果を最大限に行うことができる。
なお、上記燃料噴射時期と点火時期との同期遅角制御を、複数回に分けて徐々に遅角制御するようにしてもよく、トルク変化を緩やかにすることができる。
【００４９】
次に、前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時の点火時期補正、燃料噴射時期補正制御を図７に示したフローチャートに従って説明する。
ステップ２１では、均質（ストイキ）燃焼が許可されているか否かを判定する。そして、均質燃焼が許可されているとき、つまり、現在の成層ストイキ燃焼から暖機が完了して排気浄化触媒９が活性化し、又は加速等による運転領域変化によって均質燃焼への切り換え要求が発生しているときには、ステップ２２に進み、図５に示すように燃焼切り換え時のトルク段差を抑制するために必要な点火時期進角補正及び噴射時期進角補正制御を開始する。
【００５０】
このとき、点火時期及び圧縮行程噴射時期は、触媒活性化制御における最大限遅角された状態となっている。
そして、成層ストイキ燃焼から均質燃焼に切り換える場合は、熱効率が高い均質燃焼への切り換え時のトルク増大を無くすためにトルクを減少補正する必要があるが、前記したように本実施形態では成層ストイキ燃焼での点火時期を機関安定限界内で最大限遅角させているため、これ以上遅角すると運転性が不安定となってしまうため、実質的に遅角補正を行うことができない。そこで、燃焼切り換え時のトルク減少補正が可能な遅角代を確保できるまで点火時期を徐々に進角する補正を行う。
【００５１】
まず、ステップ２２では、成層ストイキ燃焼から均質燃焼へ切り換えるときに、成層ストイキ燃焼で最大限のトルクを発生可能なように、まず、切り換え判定直後から一定時間経過後（Ｔ３）に圧縮行程噴射時期と点火時期を同期させて一定量[Ａ]の点火時期を進角させる。すなわち、前記均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換え時にステップ１４で遅角した分を進角して戻す。
【００５２】
その後はステップ２３へ進み、燃焼切り換え時のトルク段差を抑制するために必要な点火時期進角補正制御を開始し、前記遅角割合の初期値を１００％に設定する。
ステップ２４では、前記進角補正を徐々に行うために、前記遅角割合を所定量デクリメントする。具体的には、単位時間（例えば１０ｍｓ）毎にａ％（例えば１％）ずつ遅角割合を減少させる。
【００５３】
ステップ２５では、遅角量を算出する。具体的には、まず、エンジン回転速度と負荷（基本燃料噴射量Ｔｐ等）とに基づいて、燃焼切り換え後の均質燃焼における点火時期のＭＢＴをマップからの検索等により算出し、これと現在の成層ストイキ燃焼における点火時期つまり目標遅角点火時期とに基づいて、次式により、逐次遅角量を算出する。
【００５４】
遅角量＝（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）×遅角割合
ステップ２６では、最終的に点火時期を次式により算出する。
点火時期＝ＭＢＴ−遅角量
このようにして、燃焼切り換え要求発生後、点火時期が徐々に進角されて前記均質燃焼時のＭＢＴに近づけられる。
【００５５】
ステップ２７では、前記ＭＢＴに達したか否かを、前記遅角割合が１００％となった等によって判定し、ＭＢＴに達するまでの間、ステップ２４に戻って、徐々に進角補正させる。そして、前記ＭＢＴまで達したと判定されたときに、ステップ２８へ進んで、燃焼を成層ストイキから均質燃焼に切り換える。具体的には、燃料噴射弁５から燃料噴射を吸気行程のみの噴射に切り換えて、均質燃焼に切り換える。
【００５６】
さらに、ステップ２９へ進んで、前記燃焼切り換えと同時に点火時期を燃焼切り換え時のトルク増大解消分に相当する所定量、一気に遅角方向に補正することにより、均質燃焼におけるトルク段差解消のための目標遅角点火時期に切り換える（図８［Ｃ］→［Ｂ］）。
これにより、燃焼切り換え時のトルク段差（図８のα）の発生を解消でき、安定した運転性を確保できる。
【００５７】
ステップ３０以降では、該切り換え後の均質燃焼におけるＭＢＴに徐々に近づける制御を行う。
まず、ステップ３０では、遅角割合を所定量デクリメントする。具体的には、前記ステップ２４と同様に単位時間（例えば１０ｍｇ）毎にａ％（例えば１％）ずつ遅角割合を減少させる。
【００５８】
そして、ステップ３１で逐次の遅角量を算出する。即ち、前記均質燃焼でのＭＢＴトルク段差解消用に燃焼が切り換えられた直後の目標遅角点火時期とに基づいて、次式により、逐次遅角量を算出する。
遅角量＝（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）×遅角割合
ステップ３２では、最終的に点火時期を次式により算出する。
【００５９】
点火時期＝ＭＢＴ−遅角量
このようにして、燃焼切り換え後、点火時期が徐々に進角されて均質燃焼でのＭＢＴに近づけられる（図８［Ｂ］→［Ａ］）。
ステップ３３では、前記ＭＢＴに達したか否かを、前記遅角割合が０％となったか等によって判定し、ＭＢＴに達するまでステップ３０に戻って、徐々に進角補正する。
【００６０】
このようにすれば、排気温度上昇用の成層ストイキ燃焼から暖機完了後の均質燃焼への切り換え時のトルク段差を解消できる。
次に、第２の実施形態について説明する。
図１２に第２の実施形態を説明する点火時期制御のフローチャートを示す。前記第１の実施形態では、図４で説明したように均質燃焼から成層ストイキ燃焼へ切り換えが行われてから最大遅角制御を実施する期間として遅角前の燃料噴射時期に応じた点火時期遅角限界によって一律に決定されるＴ１を与えたが、本第２の実施形態では、最大遅角制御の開始時間を機関の回転速度あるいは負荷（Ｔｐ）に応じて変化させる。
【００６１】
図４で示したように、燃焼切り換えが行なわれてから、触媒の活性化促進のために点火時期の遅角制御が実施されることを説明してきたが、ここでは、前記したようにエンジン回転速度あるいは負荷によって点火時期の最大遅角の開始時間を変更できる制御としている。これは、エンジン回転速度や負荷の増大方向では、吸入空気流量したがって排気流量が増大し、排気温度が上昇するので、その分触媒の活性化のための必要時間が短縮し、あるいは過度の点火時期遅角の必要がなくなる。過度の点火時期遅角は著しく燃費の悪化を招くおそれがあるので、必要以上の遅角は回避すべきである。
【００６２】
これらを解決するために、本実施形態ではエンジン回転速度及び負荷に合わせた点火時期遅角制御を行うようにしたもので、これにより、過度の燃費の悪化を招くことなく、かつ触媒の活性化を最適に行うことができる。
図１２のフローチャートにおいて、ステップ４１〜ステップ５３は、図６のステップ１〜ステップ１３と同じである。
【００６３】
ステップ５４で触媒の活性化判定を行い、触媒が活性化されていなければステップ５５へ進む。
ステップ５５では、均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換えが行なわれてから、最大限の遅角制御を開始する時期（燃焼切り換え開始からの時間Ｔ２）を判定する。具体的には、ステップ３１で燃焼切り換えから単位時間（例えば２ｍｓ）毎に演算される単位時間毎の点火時期演算値と、図９に示すエンジン回転速度及び負荷（Ｔｐ）をパラメータとする点火時期遅角限界マップ（ＧＡＶＤ）の参照値との差分を計算し、その差分が閾値（ＫＡＤＶ）未満になったときを最大遅角制御開始時期と判定する。閾値（ＫＡＤＶ）は、図１０及び図１１に示すようにそれぞれエンジン回転速度及び負荷（Ｔｐ）に応じた値を設定し、これらのいずれかを用いるか、両方用いて少なくとも一方が条件を満たすか、両方が条件を満たすかなどで判定する。さらには、閾値（ＫＡＤＶ）エンジン回転速度及び負荷（Ｔｐ）に応じた三次元マップで設定すれば、より適切な値に設定できる。
【００６４】
最大遅角制御開始時期となるまでは、ステップ５１で算出された点火時期に点火し、最大遅角制御開始時期と判定されたときに、ステップ５６へ進んで、第１の実施形態と同様に、最終的な燃料噴射時期（圧縮行程時）と点火時期とを、それぞれ所定量遅角させる演算を行い、燃料噴射時期と同期した点火時期の遅角制御を行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るシステム構成図。
【図２】本発明における成層ストイキ燃焼の点火時期遅角制御形態原理を説明するための図。
【図３】同上成層ストイキ燃焼の点火時期遅角制御形態を説明するための図。
【図４】同上実施形態における均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換えの様子を示す図。
【図５】同上実施形態における成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換えの様子を示す図。
【図６】均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換え時の、第1の実施形態に係る点火時期制御を示すフローチャート。
【図７】成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時の、第1の実施形態に係る点火時期制御のフローチャート。
【図８】均質燃焼と成層ストイキ燃焼とを切り換えるときの点火時期制御の様子を示す図。
【図９】均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換え時の、第２の実施形態に係る点火時期制御に使用される遅角限界ＧＡＤＶのマップ。
【図１０】同上第２の実施形態に係る点火時期制御に使用されるエンジン回転速度をパラメータとする閾値ＫＡＤＶのマップ。
【図１１】同上第２の実施形態に係る点火時期制御に使用されるエンジン負荷をパラメータとする閾値ＫＡＤＶのマップ。
【図１２】同上第２の実施形態に係る点火時期制御のフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン
４ スロットル弁
５ 燃料噴射弁
６ 点火栓
７ 排気通路
８ 空燃比センサ
９ 排気浄化触媒
50 コントロールユニット

Claims (6)

1. エンジン運転状態に応じて、
   １回の燃料噴射で燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼させる均質燃焼と、
   機関の排気通路に配設された排気浄化触媒の昇温が要求されたときに行われ、圧縮行程での燃料噴射で点火栓周りに空燃比がストイキもしくはストイキよりリッチな混合気を形成し、吸気行程での燃料噴射でその外側にストイキよりリーンな混合気を形成して燃焼させる成層ストイキ燃焼と、
   を切り換えるエンジンにおいて、
   前記均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換え時、燃焼切り換えと同時に点火時期をトルク段差吸収分進角し、燃焼切り換え後は点火時期を徐々に遅角し、点火時期を前記遅角前の燃料噴射時期に応じた遅角限界近傍まで遅角後、成層ストイキ燃焼での圧縮行程における燃料噴射時期を遅角するとともに、点火時期をさらに遅角することを特徴とする直噴火花点火式エンジンの制御装置。
2. 前記成層ストイキ燃焼時の燃焼室全体の平均空燃比を、略ストイキとすることを特徴とする請求項１に記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。
3. 前記燃料噴射時期の遅角とともに行う点火時期の遅角の開始時期を、エンジン回転速度が高いときほど遅くすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。
4. 前記燃料噴射時期の遅角とともに行う点火時期の遅角の開始時期を、エンジン負荷が高いときほど遅く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エンジンの制御装置。
5. 前記均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切り換え前に、点火時期を徐々に遅角しておくことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。
6. 前記成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切り換え時は、成層ストイキ燃焼での圧縮行程における燃料噴射時期を進角するとともに点火時期を進角し、点火時期をさらに徐々に進角した後、燃焼を切り換えると同時に点火時期をトルク段差吸収分遅角し、燃焼切り換え後は点火時期を均質燃焼に適合した時期まで徐々に進角することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の直噴火花点火式エンジンの制御装置。

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