直接燃料喷射火花点火式发动机的一个例子公开在日本专利 No.10-212987中，在该专利中，在冷起动和加速预热期间，借助减少 来自发动机中的HC、NOx、和其它废气，明显地改善了排放。相应 地，在直接燃料喷射火花点火式发动机中，借助在进气冲程喷射和压 缩冲程喷射之间执行分开的喷射，使具有理论空气/燃料比或者更浓的 空气/燃料比的空气混合物形成在靠近火花塞的燃烧室区域中，并且使 比理想空气/燃料比还稀的混合物形成在燃烧室的外围中。
直接燃料喷射火花点火式发动机的另一个例子公开在日本专利 No.2000-145510中。在这种直接燃料喷射火花点火式发动机中，三元 催化剂在冷起动期间没有活性，并且在具有进气冲程喷射的均匀燃烧 的情况下没有减少HC的排出。因此，在这种直接燃料喷射火花点火 式发动机中，在探测发动机温度且所探测到的温度小于规定的温度时， 在压缩冲程中把空气/燃料比调整成比理念空气/燃料比还稀薄，并且 喷射燃料。
根据上面这些，本领域普通技术人员从公开内容中可以清楚地知 道，需要改进控制装置。本发明解决了现有技术中的这种需要及其它 需要，而这种需要或者其它需要是本领域普通技术人员从公开内容中 可以清楚地知道的。

已发现，在催化剂不需要预热时，在低负荷期间，当通过进气冲 程喷射和压缩冲程喷射来执行双喷射燃烧时，HC排出量小于均匀燃 烧情况下的排出量，这些公开在日本专利No.10-212987中。但是，这 种燃烧控制仍然具有这样的缺点：与分层燃烧相比，HC排出量提高 了。
当需要预热催化剂时，在低负荷期间，在执行具有压缩冲程喷射 的分层燃烧时，可以减少HC排出量，这些公开在日本专利 No.2000-145510中。但是，仍然存在这样的缺点：随着负荷的增加， 燃烧稳定性减弱了，因此限制了可以进行分层燃烧的范围。
由于上述的这些缺点，因此本发明的一个目的是，当催化剂不需 要预热时，根据负荷情况来执行最佳的燃烧控制。
根据上述这些，提供一种直接燃料喷射/火花点火式发动机的控制 装置，该装置主要包括：发动机负荷确定部分；催化剂情况确定部分； 和燃烧控制部分。发动机负荷确定部分被成形成确定直接燃料喷射式 发动机的发动机负荷。催化剂情况确定部分被成形成确定设置在直接 燃料喷射式发动机的排气通道中的、用来进行排气净化的催化剂的状 态。燃烧控制部分成形成，根据由发动机负荷确定部分所确定的发动 机负荷和由催化剂情况确定部分所确定的催化剂状态来控制燃烧模 式，以致：在发动机负荷处于规定的低负荷区域并且需要预热催化剂 时，执行分层燃烧模式；及当发动机负荷大于规定的低负荷区域中的 负荷时，通过进气冲程喷射和压缩冲程喷射来执行双喷射燃烧模式。
对于本领域的普通技术人员来说，通过下面的详细描述使得本发 明的这些和其它的目的、特征、方面和优点变得更加清楚，其中该详 细描述结合附图公开了本发明的优选实施例。

现在，参照附图，其中这些附图形成了原始公开的一部分：
图1是发动机系统的示意图，它示出了本发明第一实施例的、用 于内燃机的直接燃料喷射/火花点火式发动机的控制装置；
图2是流程图，它示出了由直接燃料喷射/火花点火式发动机的控 制单元所执行的、从起动到预热期间的控制工作；
图3是燃烧转换图，它示出了本发明第一实施例的、设置燃烧转 换区域以根据由发动机负荷和发动机速度所限定出的预定区域来改变 燃烧模式的例子；
图4是本发明第一实施例的、用来控制燃烧模式和转换燃烧模式 的正时(timing)图；
图5是使两个比较控制1和2与本发明控制进行比较的燃烧转换 图的简化图；
图6是示意图，它示出了在使用本发明控制和使用两个比较控制 1和2时的HC排出量相对于负荷的特性曲线；
图7是示意图，它示出了在使用本发明控制和使用两个比较控制 1和2时的、所需要的空气量相对于负荷的特性曲线；及
图8是另一个燃烧转换图，它示出了本发明的、设置燃烧转换区 域以根据由发动机负荷和发动机速度所限定出的预定区域来改变燃烧 模式的例子。

现在参照附图来解释所选出的本发明实施例。本领域普通技术人 员从公开内容中可以清楚地知道，本发明实施例的下面描述只是用来 解释的，而不是用来限制本发明的，本发明由附加的权利要求和它们 的等同物来限定出。
首先参照图1，它示意性地示出了直接燃料喷射/火花点火式发动 机1，该发动机设置有本发明第一实施例的直接燃料喷射/火花点火式 发动机控制装置。发动机1具有进气通道2，而电控节流阀3安装在 该通道内。电控节流阀3被成形和布置来控制进入到发动机1的进气 通道2中的进气量。进气通道2流体连接到发动机1的若干燃烧室4 (只示出一个)中。每个燃烧室4包括火花塞5和燃料喷射阀6。火 花塞5和燃料喷射阀6以传统的方式安装到燃烧室4中。发动机1还 具有排气通道7，该排气通道流体连接到每个燃烧室4中。排气通道7 以传统方式包括具有催化剂的催化转化器8以进行废气净化。
借助发动机控制单元或者ECU20来控制发动机，以实现如下面 所讨论那样的、燃料空气混合物的控制燃烧。发动机控制单元20是微 型计算机，它包括中央处理单元(CPU)和其它外围装置。发动机控 制单元20还包括其它传统元件如输入接口电路、输出接口电路和储存 装置如ROM(只读存储器)装置和RAM(随机存取存储器)装置。 发动机控制单元20最好具有如下面所讨论那样控制各种零件的发动 机控制程序。发动机控制单元20接受来自各种传感器(下面将描述) 的输入信号，并且根据这些信号来执行这些发动机控制，而这些传感 器用来探测发动机1的工作状态。本领域普通技术人员从公开内容中 可以清楚地知道，发动机控制单元20的精确结构和算法可以是实现本 发明功能的、硬件和软件的任何结合。换句话说，在说明书和权利要 求中所使用的“装置加功能”条款应该包括可以用来实现“装置加功 能”条款的功能的任何结构或者硬件和/或算法或者软件。
借助由来自发动机控制单元20的信号所操纵的步进式马达或者 其它装置来控制电控节流阀3的开度。
燃料喷射阀6被成形成借助螺线管来打开，并且喷射已增压到规 定压力的燃料，其中该螺线管借助喷射脉冲信号来通电，在进气冲程 或者压缩冲程期间，该喷射脉冲信号与发动机速度同步地从发动机控 制单元20中输出。因此，所喷射的燃料分布在整个燃烧室4中，以致 在进行进气冲程喷射的情况下形成均匀的空气/燃料混合物，在进行压 缩冲程喷射的情况下在火花塞5周围形成分层空气/燃料混合物。火花 塞5根据来自发动机控制单元20的点火信号来点燃空气/燃料混合物， 并且使该混合物进行燃烧(均匀燃烧模式、分层燃烧模式或者双喷射 燃烧模式)。
在本发明中，如下面所解释的那样，直接燃料喷射正时和点火正 时借助发动机控制单元20来调整，以根据发动机负荷和催化剂的情况 来改变燃烧模式。尤其地，燃烧控制被成形成：当需要预热催化剂时， 在低发动机负荷期间，进行具有压缩冲程喷射的分层燃烧；和在高发 动机负荷时，进行具有进气冲程喷射和压缩冲程喷射的双喷射燃烧。 因此，借助在低负荷期间进行分层燃烧来减少HC排出量，及在高负 荷时进行双喷射燃烧来减少HC排出量。尽管双喷射燃烧期间的HC排出量大于分层燃烧期间的HC排出量，但是可以使双喷射燃烧期间 的HC排出量小于均匀燃烧期间的HC排出量，同时保持燃烧稳定性。
发动机控制单元20接受来自下面传感器的输入信号：加速踏板传 感器21、离合器角度传感器22、气流测量器23、发动机冷却剂温度 传感器24和燃料压力传感器25。发动机控制单元20执行发动机控制， 这些发动机控制根据这些信号包括进气量Qa、点火正时、燃料喷射量 和燃料喷射正时，但不局限于这些。
加速器开度APO借助加速踏板传感器21来探测，该传感器21 把信号输出到发动机控制单元20中，该单元20表示出加速踏板的下 降量。发动机速度Ne借助离合器角度传感器22来探测，该传感器22 把信号输出到发动机控制单元20中，该单元20指示出发动机速度Ne。 进气量Qa借助气流测量器23来探测，该测量器23把信号输出到发 动机控制单元20中，该控制单元20指示出进气量Qa。发动机冷却剂 温度或者水温Tw借助发动机冷却剂温度传感器24来探测，该传感器 24把信号输出到发动机控制单元20中，该控制单元20指示出发动机 冷却剂温度Tw。供给到燃料喷射阀6中的燃料的燃料压力Pf借助燃 料压力传感器25来探测，该传感器25把信号输出到发动机控制单元 20中，该控制单元20指示出供给到燃料喷射阀6中的燃料的燃料压 力Pf。外部空气温度(进气温度)Tatm借助外部空气温度传感器27 来探测，该传感器27把信号输出到发动机控制单元20中，该控制单 元20指示出进气温度Tatm。
发动机控制单元20成形成根据由这些输入信号所探测到的发动 机工作情况来执行所选择的燃烧模式(均匀燃烧、分层燃烧)，并且相 应地控制电控节流阀3的开度、燃料喷射正时和燃料喷射阀6的燃料 喷射量及火花塞5的点火正时。此外，在正常工作条件下(在完成预 热之后)，通过大约30-40的A/F比(稀薄分层燃烧)来进行极其稀薄 的分层燃烧。均匀燃烧包括均匀稀薄燃烧(A/F比＝20-30)和均匀理 论燃烧。
在催化转化器8中的催化剂需要预热时(这包括冷起动)，本发明 需要根据负荷条件来执行最佳燃烧控制。根据图2中的流程图，发动 机控制单元20把这种控制执行为从起动到预热期间的控制。
将描述图2中的从起动到预热期间的控制的流程图。
发动机控制单元20在步骤S1中确定在起动时是否允许进行分层 起动(借助分层燃烧来起动)。具体地说，在下面情况下允许进行分层 起动(stratified startup)：起动时的冷却剂温度Tw为规定值或者大 于该规定值(例如-10度)，并且燃料压力Pf升高到可以进行压缩冲程 喷射的水平。
当满足允许分层起动的条件时，过程进入到步骤S2中，并且执行 分层起动。具体地说，借助具有压缩冲程喷射的分层燃烧来进行起动。
当不满足允许分层起动的条件时，过程进入到步骤S3中，并且执 行均匀起动。具体地说，起动借助具有进气冲程喷射的均匀燃烧来执 行。
在起动之后，过程进入到步骤S4中。在步骤S4中，发动机控制 单元20确定催化转化器8中的催化剂是否具有活性。在步骤S4中所 执行的处理构成了催化剂条件确定部分，该确定部分成形成确定设置 在直接燃料喷射发动机1的排气通道7中的、用来进行排气净化的催 化剂的活性情况。
具体地说，在步骤S4中，当具有催化剂温度传感器时，探测催化 剂温度。当没有催化剂温度传感器时，通过冷却剂温度Tw来估计出 催化剂温度。此外，根据起动时的冷却剂温度和起动之后的进气量的 综合值来估计出催化剂温度。然后，确定所探测到或者估计出的催化 剂温度是否为规定的活性温度或者大于该活性温度。
当催化剂具有活性时，过程进入到步骤S11中并且改变成正常控 制，并且结束预热期间的控制。根据正常控制中的工作条件来执行上 述稀薄分层燃烧、稀薄均匀燃烧、理论均匀燃烧和类似燃烧。
当催化剂没有活性时，过程进入到步骤S5中。在步骤S5中，使 用图3的控制图根据发动机负荷TP来选择燃烧模式。在步骤S5中所 执行的处理构成了发动机负荷确定部分，该确定部分成形成根据图3 所看到的规定负荷区域来确定直接燃料喷射式发动机1的发动机负 荷。
在低负荷区域中，具体地说，当发动机负荷TP小于第一预定的 阈值TP1时，选择具有压缩冲程喷射的分层燃烧模式。尤其地，空气 /燃料比设置成稍稍小于(A/F＝15-16)分层燃烧中的理论比，并且喷 射燃料，从而在压缩冲程喷射中以分层的方式在火花塞周围形成浓的 空气-燃料混合物。因此，实现了分层燃烧。这时，点火正时(基本的 点火正时，它根据冷却剂温度Tw来设置)也被校正成滞后(延迟分 层燃烧)。
在中间负荷区域，具体地说，当发动机负荷TP为第一预定阈值 TP1或者大于该阈值时并且小于比第一预定阈值TP1大的第二预定阈 值TP2时，选择双喷射燃烧模式，在这种模式中，进气冲程喷射和压 缩冲程喷射产生在一个燃烧循环中。在双喷射燃烧模式中，空气/燃料 比设置成接近理想值，而燃料喷射被分成两个独立的喷射，其中一个 喷射产生在进气冲程喷射中，而另一个喷射产生在压缩冲程喷射中， 因此在火花塞周围形成了相对较浓的空气-燃料混合物，并且在它的外 围形成了相对较稀的空气-燃料混合物。因此，双喷射燃烧实现了微弱 的分层燃烧。这时，点火正时也被校正成滞后(双喷射延迟燃烧)。
在高负荷区域中，具体地说，当发动机负荷TP为第二阈值TP 或者大于第二阈值TP2时，执行具有进气冲程喷射的均匀燃烧。在均 匀燃烧时，空气/燃料比设置成接近理论值，在进气冲程期间喷射燃料， 形成了在整个燃烧室内都均匀的空气-燃料混合物。因此，执行均匀燃 烧。这时，点火正时也被校正成滞后(均匀延迟燃烧)。
向着滞后的点火正时校正量对于每个燃烧模式是不相同的，并且 按照如下顺序减少：分层燃烧模式、双喷射燃烧模式和均匀燃烧模式。 进气量(节流阀开度)的校正量对于每个燃烧模式也是不相同的，并 且按照如下顺序减少：分层燃烧模式、双喷射燃烧模式和均匀燃烧模 式。
例如每个发动机速度单位的进气量(Qa/Ne)用作负荷TP。也可 以使用所需要的空气量相对于全开空气量、转矩变换值、加速器开度、 节流阀开度、燃料喷射脉冲宽度和类似值的比。
根据发动机速度Ne来设置第一阈值TP1和第二阈值TP2，在这 种情况下，每个工作区域如图3所提出的这些区域实现在分层燃烧、 双喷射燃烧和均匀燃烧之间的转换。
发动机控制单元20在步骤S6中确定过程是否执行起动之后的第 一选择。如果第一选择已被执行过一次，那么该过程进入到步骤S7 中，并且根据所选择的燃烧模式来执行控制工作。然后，该过程返回 到步骤S4中。在第一选择被处理一次之后，该过程进入到步骤S8中， 在那里，发动机控制单元20确定是否存在转换需要。具体地说，不管 所选择的燃烧模式是不同于前面所选择的燃烧模式。
当没有转换需要时，这种燃烧模式连续进行，并且该过程返回到 步骤S4中。
当有转换需要时，执行转换缓冲控制。转换缓冲控制借助预转换 燃烧模式来工作，并且随着时间的过去逐渐把与预转换燃烧模式相对 应的、空气量(节流阀开度TVO)、空气/燃料比A/F和点火正时ADV (它的校正量)的值改变成与后转换燃烧模式相对应的值。当空气量 (节流阀开度TVO)、空气/燃料比A/F和点火正时ADV(校正量) 到达与后转换燃烧模式相对应的值，该过程进入到步骤S10中，并且 该系统转换到所选择的燃烧模式中。然后，该过程返回到步骤S4中。
使用图4的正时图的、在步骤S6-S10中所执行的过程构成了燃烧 控制部分，该燃烧控制部分成形成根据由发动机负荷确定部分(步骤 S5-图3)所确定的发动机负荷和由催化剂情况确定部分(步骤S4)所 确定的催化剂状态来控制燃烧模式，以致在发动机负荷处于规定的低 负荷区域中并且催化剂需要预热时，执行分层燃烧模式，和当发动机 负荷大于规定的低负荷区域时，通过进气冲程喷射和压缩冲程喷射来 执行双喷射燃烧模式。燃烧控制部分(步骤S6-S10)也还成形成，当 发动机负荷是规定的中间负荷时执行双喷射燃烧模式，和当发动机负 荷为规定的高负荷时执行具有进气冲程喷射的均匀燃烧模式。
当催化转化器8的催化剂在预热期间借助这种控制具有活性时， 该过程从步骤S4进入到步骤S11中并且改变成正常控制。
正时图示出在图4中，在该图中，发动机负荷以下面顺序进行改 变：低负荷-中间负荷-高负荷-中间负荷-高负荷。在该图中，燃烧模式 的选择借助“燃烧模式选择标志”的值来指示出，燃烧模式的实际转 换借助“燃烧转换执行标志”的值来表示。值TPHYS是滞后量，该 滞后量设置来防止搜索阈值TP1和TP2。
下面描述本发明的效果。
冷态下的分层燃烧借助使较强的空气-燃料混合物聚中在火花塞 周围来提高燃烧稳定性。也具有更少的燃料粘附到燃烧室的壁上，因 此从发动机中排出的HC量被降低了。可以采用这样的设计，使点火 正时延迟一个与提高的燃烧稳定性相对应的量，排气温度可以被提高 以加速催化剂的预热。但是，当负荷提高时，火花塞外围变得太集中， 并且可以产生反弹，因此燃烧稳定性减弱了并且排出烟。
由于冷态下的双喷射燃烧在火花塞周围形成了相对较浓的燃料- 空气混合物并且在它的外围形成了相对较稀的空气-燃料混合物，尽管 从燃料粘附到燃烧室的壁上的观点来看减少HC的效果劣于分层燃 烧，但是这些效果优于均匀燃烧。燃料还通过整个燃烧室，因此可以 使燃烧稳定到相对较高的负荷中，并且借助延迟点火正时来提高排气 温度。
因此，在本发明中，在需要预热催化剂时，根据发动机负荷在低 负荷区域中执行具有压缩冲程喷射的分层燃烧，因此可以减少粘附到 燃烧室壁上的燃料量，并且也减少了从发动机中排出的HC水平。点 火正时可以被延迟，并且排气温度提高一个与提高的燃烧稳定性相对 应的量，而这种提高的燃烧稳定性在低负荷区域中借助下面方法来得 到：使较强的空气-燃料混合物聚集在火花塞周围，因此催化剂具有活 性。
当负荷提高时，由于在分层燃烧期间火花塞周围的浓度太大而使 得燃烧稳定性减弱并且排出了烟，因此当负荷较高时，催化剂的活性 借助采用一种设计来得到，因此燃烧稳定性可以得到提高，并且点火 正时被延迟，同时减少HC的效果借助由进气冲程喷射和压缩冲程喷 射所执行的双喷射燃烧来保持。
此外，当负荷提高并且建立了高负荷(接近全开)时，空气-燃料 混合物过度聚中在火花塞周围，从而即使在双喷射燃烧期间也提高了 HC，并且根据输出要求转换到均匀燃烧。这时，尽可能多地延迟点火 正时，并且排气温度升高，因此催化剂具有活性。
使本发明的控制与图5所示的比较控制1和比较控制2进行比较。
在比较控制1中，在冷态发动机起动之后，在怠速期间，执行具 有进气冲程喷射和压缩冲程喷射的双喷射燃烧，并且当负荷从这种情 况提高到高负荷时转换到均匀燃烧，如图5所示。
在比较控制2中，在冷态发动机起动之后，在怠速期间执行分层 燃烧，并且当负荷从这种情况进行提高时转换到均匀燃烧，如图5的 图形(b)所示一样。
相反，在本发明的控制中，在低负荷处执行分层燃烧，在中间负 荷处执行具有进气冲程喷射和压缩冲程喷射的双喷射燃烧，及在高负 荷处转换到均匀燃烧，如图5的图形(c)所示。
图6示出了HC排出量相对于分层燃烧、双喷射燃烧和均匀燃烧 的负荷的特性曲线。
根据负荷情况，借助使用本发明的控制来转换到低负荷的分层燃 烧、中间负荷的双喷射燃烧和高负荷的均匀燃烧，有选择地转换到总 是使HC排出量最小化的燃烧模式，因此可以减少HC。尤其地，与 比较控制1相比，在低负荷情况下可以减少HC。与比较控制2相比， 在中间负荷情况下，减少了HC。
图7示出了所需要的空气量相对于分层燃烧、双喷射燃烧和均匀 燃烧的负荷的特性曲线。
借助使用本发明的控制来在低负荷转换到分层燃烧、在中间负荷 转换到双喷射燃烧和在高负荷转换到均匀燃烧，可以减少转换期间所 需要的空气量的差异，其中该空气量是产生相同扭矩所需要的，并且 可以减少扭矩差异(torque step)的大小。尤其地，在从低负荷到中 间负荷的转换期间(在从分层燃烧到均匀燃烧的转换期间)，比较控制 2产生了空气量的差异(如图7中的“b”所示)。但是，采用本发明 的控制，可以改变(减少了)空气量差异，如图7中的“c”所示。因 此，使用本发明的控制可以明显减少空气量。
如上所述，根据发动机负荷可以执行从分层燃烧到双喷射燃烧到 均匀燃烧的连续改变，而没有扭矩差异，同时改善了排放(HC)。
根据发动机速度来改变负荷的阈值(在该阈值时转换燃烧模式)， 因此在更高的速度下，可以扩大执行分层燃烧或者双喷射燃烧的区域， 在任何速度下可以进行这种转换，而不会产生扭矩差异，并且使得催 化剂的加热更加快速。
也可以采用一种这样的结构，根据冷却剂温度Tw来改变阈值， 在该阈值处，转换燃烧模式(尤其是第二阈值TP2，在该第二阈值处， 双喷射燃烧和均匀燃烧被转换)，该值随着冷却剂温度Tw的升高而减 少，并且在低负荷处转换到均匀燃烧。
执行分层燃烧的低负荷区域也可以设置成只包括怠速工作区域， 以减少燃烧转换的复杂性。
这里用来描述装置的零件、部分或者部件的术语“成形成”包括 构造和/或编程来实现理想功能的硬件和/或软件。而且，在权利要求 中表示成“装置加功能”的一些术语应该包括这样的任何结构：该结 构可以用来实现本发明的那部分的功能。这里所使用的程度术语如“基 本上”、“大约”和“接近”表示修饰术语的合理偏差量，以致不会明 显改变最终结果。例如，如果这种偏差不会否定它所修饰的词的意思， 那么这些术语可以解释成包括修饰术语的至少±5％的偏差。
本申请要求日本专利No.2003-357751的优先权。日本专利 No.2003-357751的全部公开内容在这里引入以作参考。
尽管只选择一些实施例来解释本发明，但是本领域普通技术人员 从公开内容中可以清楚地知道，在没有脱离本发明范围的情况下可以 进行各种改进和变形，而本发明范围限定在附加的权利要求中。此外， 本发明实施例的上述描述只是用来解释的，而不是用来限制本发明的， 而本发明借助附加的权利要求和它们的等同物来进行限定。因此，本 发明的范围不局限于所公开的这些实施例。