JP2010025073A - 内燃機関の制御装置及び制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】噴射した燃料の成分を着火前に低級化するよう改質可能にした内燃機関の制御装置を新たに提供する。
【解決手段】燃料噴射弁から気筒内へ直接燃料を噴射する筒内直噴式の内燃機関に適用され、排気行程から吸気行程にかけての所定期間に、吸気バルブ及び排気バルブをともに閉弁制御してアンダーラップ期間Ｍを作り出すアンダーラップ制御手段と、１燃焼サイクル当たりに噴射させる燃料の一部を前記アンダーラップ期間Ｍ中にプレ噴射させるよう燃料噴射弁を制御するプレ噴射制御手段と、プレ噴射された燃料の改質量に応じて変化する物理量を検出する改質量検出手段とを備える。そして、改質量検出手段による検出結果に応じて内燃機関の作動を制御する。これによれば、アンダーラップ期間Ｍにおいて燃焼室に排気を閉じ込めることで高温環境を作り出し、その高温環境下にプレ噴射燃料をさらして改質することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料噴射弁から気筒内へ直接燃料を噴射する筒内直噴式の内燃機関に適用された、内燃機関の制御装置及び制御システムに関する。

従来より、内燃機関の運転領域が高回転高負荷領域では混合気を理論空燃比で燃焼させる一方、運転領域が低回転低負荷である場合には、燃焼が不安定にならない程度の限界まで空燃比をリーンにしてポンピングロス低減を図ることが知られている（特許文献１参照）。

また、排気の一部を吸気に還流させるＥＧＲ機能を備えた内燃機関において、内燃機関の運転領域が高回転高負荷領域では排気還流量（ＥＧＲ量）を減少させる一方、運転領域が低回転低負荷である場合には、燃焼が不安定にならない程度の限界までＥＧＲ量を増大させて排気エミッション低減を図ることが知られている（特許文献２参照）。

また、内燃機関の冷間始動時において、排気を浄化する触媒の暖機を図るべく、燃焼が不安定にならない程度の限界まで点火時期を遅角させることで、排気温度を上昇させて触媒暖機を促進させ、排気エミッション低減を図ることが知られている（特許文献３参照）。
特開２００２−０６１５３１号公報 特開平１１−１２５１２６号公報 特開２００７−３２１５９０号公報

ところで、内燃機関の燃焼に用いられる燃料の成分は、Ｃ８Ｈ１８（イソオクタン）といった炭素原子数が４以上である高級ＨＣ成分であることが一般的である。このことは、低級ＨＣ成分の場合には揮発性及び着火性が高すぎるため、燃料タンクへの燃料供給時の取り扱いが困難であること等に起因する。

これに対し本発明者らは、燃料を噴射してから着火するまでの間に噴射した燃料の成分を低級ＨＣに改質することができれば、燃費向上や排気エミッション低減を図るに有利となる場合があることに着目した。

例えば、上記特許文献１記載のリーン制御において改質により着火性を高めることができれば、その改質により燃焼の安定性が向上するため、空燃比をより一層リーンにしてポンピングロス低減による燃費向上を促進できる。

また、上記特許文献２記載のＥＧＲ制御において改質により着火性を高めることができれば、その改質により燃焼の安定性を向上できるため、ＥＧＲ量をより一層増大させて排気エミッション低減を促進できる。

また、上記特許文献３記載の触媒暖機制御において改質により着火性を高めることができれば、その改質により燃焼の安定性を向上できるため、点火時期をより一層遅角させて触媒暖機を促進でき、ひいては排気エミッション低減を促進できる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、噴射した燃料の成分を着火前に低級化するよう改質可能にした内燃機関の制御装置及び制御システムを新たに提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明では、燃料噴射弁から気筒内へ直接燃料を噴射する筒内直噴式の内燃機関に適用され、排気行程から吸気行程にかけての所定期間に、吸気バルブ及び排気バルブをともに閉弁制御してアンダーラップ期間を作り出すアンダーラップ制御手段と、１燃焼サイクル当たりに噴射させる燃料の一部を前記アンダーラップ期間中にプレ噴射させるよう前記燃料噴射弁を制御するプレ噴射制御手段と、前記プレ噴射された燃料の改質量に応じて変化する物理量を検出する改質量検出手段と、を備え、前記改質量検出手段による検出結果に応じて前記内燃機関の作動を制御することを特徴とする。

これによれば、アンダーラップ期間では、排気行程から吸気行程にかけての所定期間に吸気バルブ及び排気バルブをともに閉弁させるので、排気が燃焼室に閉じ込められた状態で圧縮されることとなる。よって、アンダーラップ期間では筒内温度を高温状態にすることができる。そして、このように高温となったアンダーラップ期間中にプレ噴射された燃料は、高温環境下にさらされる。その結果、プレ噴射された燃料の高級ＨＣ成分は熱分解して、炭素原子数が３以下である低級ＨＣ成分（例えばＣＨ４（メタン）、Ｃ２Ｈ６（エタン）、Ｃ２Ｈ４（エチレン）、Ｃ３Ｈ６（プロピレン）等）に改質されることとなる。したがって、噴射した燃料の成分を着火前に低級化するよう改質することができる。

さらに本発明では、改質量検出手段を備え、その検出結果に応じて前記内燃機関の作動を制御するので、燃費向上や排気エミッション低減を図るに有利となるように内燃機関の作動を制御することを容易に実現できる。

ところで、本発明者らは、プレ噴射された燃料が改質された量（改質量）に応じて、アンダーラップ期間に気筒内で発生したイオンの量や、アンダーラップ期間での気筒内圧力が変化するとの知見を得た。この知見に基づき請求項２記載の発明では、前記改質量検出手段は、前記アンダーラップ期間に気筒内で発生したイオンの量を検出するイオン検出手段、或いは前記アンダーラップ期間での気筒内圧力を検出する筒内圧検出手段であることを特徴とする。これによれば、プレ噴射された燃料のうち改質された量を容易に検出することができる。

ここで、実際の改質量（低級ＨＣの分子の数）は、検出されたイオン電流値（又は筒内圧検出値）の大きさと、アンダーラップ期間での筒内ＥＧＲ（筒内に残留した排気の一部）の量により決まる。つまり、イオン電流値又は筒内圧検出値は改質濃度に応じて変化し、改質濃度にアンダーラップ期間中の筒内ＥＧＲ量を乗じた値が改質量となる。したがって、前記アンダーラップ期間の長さが長いほど前記改質量検出手段による検出結果を増量するよう補正する改質量補正手段を備えることを特徴とする請求項３記載の発明によれば、改質量を精度良く取得できる。

請求項４記載の発明では、前記改質量検出手段による検出結果が、前記改質量が多いとの結果であるほど、前記閉弁制御及び前記プレ噴射を実行している時の目標空燃比をリーンにすることを特徴とする。

これによれば、改質により燃料の着火性が高まることに起因して燃焼の安定性が向上するため、空燃比をより一層リーンにすることができ、ポンピングロス低減による燃費向上を促進できる。そして、プレ噴射された燃料のうち改質された低級ＨＣの量（改質量）が多いほど目標空燃比をリーンにするので、燃焼が不安定にならない程度の限界まで空燃比をリーンにすることを、精度よく制御できる。

請求項５記載の発明では、前記内燃機関は、排気の一部を吸気に還流させるＥＧＲモードでの運転が可能となるよう構成されており、前記改質量検出手段による検出結果が、前記改質量が多いとの結果であるほど、前記閉弁制御及び前記プレ噴射を実行している時の排気還流量を増大させることを特徴とする。

これによれば、ＥＧＲモード運転中において、改質により燃料の着火性が高まることに起因して燃焼の安定性が向上するため、排気還流量（ＥＧＲ量）をより一層増大させることができ、排気エミッション低減を促進できる。そして、プレ噴射された燃料のうち改質された低級ＨＣの量が多いほどＥＧＲ量を増大させるので、燃焼が不安定にならない程度の限界までＥＧＲ量を増大させることを、精度よく制御できる。

請求項６記載の発明では、前記内燃機関は、当該内燃機関の負荷及び機関回転速度に基づき混合気への点火時期を制御する通常点火モードと、排気を浄化する触媒を暖機させるべく前記点火時期を前記通常点火モードよりも遅角させる触媒暖機モードとを切り替えて運転するよう制御され、前記改質量検出手段による検出結果が、前記改質量が多いとの結果であるほど、前記閉弁制御及び前記プレ噴射を実行している時の前記点火時期を遅角させることを特徴とする。

これによれば、触媒暖機モード運転中において、改質により燃料の着火性が高まることに起因して燃焼の安定性が向上するため、点火時期をより一層遅角させることができ、排気温度を上昇させて触媒暖機を促進でき、ひいては排気エミッション低減を促進できる。そして、プレ噴射された燃料のうち改質された低級ＨＣの量が多いほど点火時期の遅角量を増大させるので、燃焼が不安定にならない程度の限界まで点火時期遅角量を増大させることを、精度よく制御できる。

請求項７記載の発明は、上記内燃機関の燃料性状検出装置と、前記吸気バルブ又は前記排気バルブの開閉弁時期を調整可能なバルブタイミング調整装置、及び気筒内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁の少なくとも一方と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御システムである。この制御システムによれば、上述の各種効果を同様に発揮することができる。

以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
本実施形態は、車両に搭載される筒内直噴射式の多気筒４サイクルガソリンエンジンを制御対象とし、当該エンジンにおける各種アクチュエータの電子制御を実施するものとしている。まず、図１によりエンジン制御システムの全体概略構成を説明する。

図１に示す筒内直噴射式エンジン（以下、エンジン１０という）において、吸気管１１の上流部には吸入空気量を検出するためのエアフロメータ１２が設けられている。エアフロメータ１２の下流側には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１３によって開度調節されるスロットルバルブ１４が設けられており、該スロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）はスロットルアクチュエータ１３に内蔵されたスロットル開度センサにより検出される。スロットルバルブ１４の下流側にはサージタンク１６が設けられ、このサージタンク１６には吸気管圧力を検出するための吸気管圧力センサ１７が設けられている。サージタンク１６には、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１８が接続されており、吸気マニホールド１８において各気筒の吸気ポート近傍にはスワール流やタンブル流を発生させる気流制御弁１９が設けられている。

シリンダブロック２０には電磁駆動式のインジェクタ２１（燃料噴射弁）が設けられており、該インジェクタ２１により燃焼室２２内（気筒内）へ燃料が直接噴射される。インジェクタ２１に対しては、図示しない高圧ポンプと燃料配管（デリバリパイプ）とを通じて高圧燃料が供給されるようになっている。なお、高圧ポンプは、例えば１０〜２０ＭＰａ程度に燃料圧を高圧化する。

また、エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ３１及び排気バルブ３２が設けられており、吸気バルブ３１の開動作により吸入空気が燃焼室２２内に導入され、排気バルブ３２の開動作により燃焼後の排気が排気管３５に排出される。吸気バルブ３１及び排気バルブ３２には、それら各バルブの開閉時期（バルブタイミング）とを可変とする可変バルブ装置３３，３４（アンダーラップ制御手段）が設けられている。本実施形態で採用されている可変バルブ装置３３，３４は、クランク軸からカム軸への動力伝達経路に配置されており、クランク軸の回転角度に対するカム軸の回転角度の相対位置（位相）を可変とする構造である。

エンジン１０のシリンダヘッドには各気筒に点火プラグ３６が取り付けられており、点火プラグ３６には、図示しない点火コイル等を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ３６の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２２内において燃料が着火されて燃焼に供される。

排気管３５には、排気を浄化するための触媒３７，３８が設けられている。上流側の触媒３７は、排気中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを浄化する三元触媒であり、下流側の触媒３８は、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）である。また、排気管３５において三元触媒３７の上流側には空燃比センサ３９が設けられ、三元触媒３７の下流側には空燃比センサ４０と排気温センサ４１とが設けられている。空燃比センサ３９，４０は、いずれも排気を検出対象として混合気の空燃比を検出するものであり、例えば、上流側の空燃比センサ３９としては、空燃比を広域に検出することが可能なＡ／Ｆセンサが用いられ、下流側の空燃比センサ４０としては、リッチ／リーンに応じて二値の起電力信号を出力するＯ２センサが用いられる（ただし、Ａ／Ｆセンサ、Ｏ2センサの組み合わせは任意である）。

その他に、シリンダブロック２０には、シリンダブロック２０の振動を検出することでノッキングの発生を検出するノックセンサ４２、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ４３、エンジン冷却水温を検出する冷却水温センサ（図示せず）等が取り付けられている。

サージタンク１６と排気管３５とはＥＧＲ配管４５を介して接続されており、このＥＧＲ配管４５の途中に電磁駆動式のＥＧＲバルブ４６が設けられている。なお、ＥＧＲ配管４５の排気側接続部位は三元触媒３７の下流側であってもよい。ＥＧＲバルブ４６の開度（ＥＧＲ開度）を調節することにより、排気管３５から吸気通路側に再循環される排気の量（ＥＧＲ量）が制御されるようになっている。図１中の符号４７は、車両ドライバによるアクセル操作量を検出するためのアクセルセンサである。

上述した各種センサの出力は、エンジン制御を司る電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ５０という）に入力される。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じてインジェクタ２１の燃料噴射量や燃料噴射時期、点火プラグ３６の点火時期等を制御するとともに、吸気側及び排気側の可変バルブ装置３３，３４を駆動させて吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開閉時期を適宜制御する。

ＥＣＵ５０は、エンジン回転速度と負荷（要求トルク）とに応じて成層燃焼モード（リーンモード）と均質燃焼モード（ストイキモード）との切替を実施する。成層燃焼モードの運転領域は、均質燃焼モードの運転領域よりも低回転・低負荷側に設定されており、成層燃焼モードでは、比較的少量の燃料を圧縮行程で筒内に直接噴射して点火プラグ３６の近傍に成層混合気を形成して成層燃焼させる。これにより、ポンピングロスが低減され燃費の向上が図られる。一方、均質燃焼モードでは、燃料噴射量を増量して吸気行程で筒内に燃料を直接噴射して均質混合気を形成して均質燃焼させる。これにより、エンジン出力が高められる。要するに、成層燃焼モードでは圧縮行程噴射が行われ、均質燃焼モードでは吸気行程噴射が行われる。

ここで、車載燃料タンク（図示せず）に供給されて貯蔵されているガソリン燃料の成分は、Ｃ８Ｈ１８（イソオクタン）といった炭素原子数が４以上である高級ＨＣ成分である。そして、図２に示すように、炭素原子数が少ない低級ＨＣ成分であるほど、着火に必要な最小点火エネルギは小さくなることは、例えば「燃焼現象の基礎（オーム社出版）」等の文献に記載されているように明らかとなっている。つまり、燃料成分が低級であるほど着火性が高い。

この点に着目した本実施形態では、図３を用いて以下に説明する閉弁制御及び改質プレ噴射（特許請求の範囲に記載のプレ噴射に相当）を実行することで、燃料を噴射してから着火するまでの間に、噴射した燃料の成分を燃焼室２２内で低級ＨＣに改質することを図っている。図３の縦軸は吸気バルブ３１及び排気バルブ３２のリフト量を示し、横軸は時間経過を示す。

上記閉弁制御とは、排気行程から吸気行程にかけての所定期間に、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２をともに閉弁させるアンダーラップ期間Ｍ（図３（ｃ）参照）を作り出すよう可変バルブ装置３３，３４を制御することである。アンダーラップ期間Ｍは、吸気上死点（吸気ＴＤＣ）を含むように設定されており、換言すれば、排気バルブ３２の閉弁時期は吸気ＴＤＣよりも前に、吸気バルブ３１の開弁時期は吸気ＴＤＣよりも後になるよう設定されている。より詳細には、アンダーラップ期間Ｍの略中央が吸気ＴＤＣとなるよう設定されている。

上記改質プレ噴射とは、図３（ｃ）に示すように、１燃焼サイクル当たりに噴射させる燃料の一部をアンダーラップ期間Ｍに噴射することである。より詳細には、改質プレ噴射の開始時点は吸気ＴＤＣより前であり、アンダーラップ期間Ｍの開始と略同時であることが望ましい。一方、１燃焼サイクル当たりに噴射させる燃料の大部分については、先述したように、均質燃焼モードでは吸気行程で噴射（以下、メイン噴射という）され、成層燃焼モードでは圧縮行程で噴射（メイン噴射）される。

アンダーラップ期間Ｍでの燃焼室２２内は、排気（内部ＥＧＲガス）が閉じ込められた状態となっているため高温環境となる。しかも、閉じ込められた内部ＥＧＲガスは、アンダーラップ期間Ｍ開始から吸気ＴＤＣにかけて圧縮されるため、エンジン１０の運転状態（例えば高負荷高回転状態）によっては、例えば約６００℃以上の高温環境となる。したがって、アンダーラップ期間Ｍに改質プレ噴射された燃料中に含まれる高級ＨＣ成分は、高温環境にさらされることとなるため、熱分解して低級ＨＣ成分に改質される。

以上により、閉弁制御を実行してアンダーラップ期間Ｍを作り出し、そのアンダーラップ期間Ｍに改質プレ噴射を実行することで、燃料を噴射してから着火するまでの間に燃焼室２２内で低級ＨＣに改質することができ、その後の燃焼行程では改質した低級ＨＣ成分の燃料（つまり着火性が向上された燃料）を燃焼させることができる。但し、エンジン１０の運転状態によっては、改質により着火性を高くすることが望ましい場合と望ましくない場合とがある。

本実施形態では、成層燃焼モード（リーンモード）運転の場合に改質を実行して着火性が高めさせている。ここで、空気過剰率を大きくするほど（つまりリーンにするほど）燃焼が不安定になる。よって、リーンモードでの空燃比は、燃焼が不安定にならない程度の限界まで空燃比をリーンにすることでポンピングロス低減を図っている。したがって、このようなリーンモード時に改質により着火性を高めさせれば、空燃比をより一層リーンにすることができる（つまりリーン限界を拡大することができる）。よって、ポンピングロス低減による燃費向上を促進できる。

以下、ＥＣＵ５０により実行される閉弁制御及び改質プレ噴射に関する制御プラグラムの詳細を、図４，５，７〜１０のフローチャートを参照しながら説明する。図４はエンジン制御のメインルーチンを示すフローチャートであり、本ルーチンは、イグニッションスイッチのオン後においてＥＣＵ５０により例えば所定周期で繰り返し実行される。

図４において、まずステップＳ１０では、成層燃焼モードによるリーン燃焼の実行を許可するための条件（リーン燃焼条件）が満たされているか否かを判定する処理を行う。リーン燃焼条件の具体例としては、以下の条件(1)〜(3)の全て、或いは少なくとも１つを満たしていることが挙げられる。そして、リーン燃焼条件を満たしている場合にはフラグex_leanをオンに設定し、満たしていない場合にはフラグex_leanをオフに設定する。
(1)エンジン回転速度が所定値以下である。
(2)エンジン負荷が所定値以下である。
(3)エンジン冷却水温が所定値以上である。

ここで、先述した閉弁制御及び改質プレ噴射を実行したとしても、閉弁制御により閉じ込められた内部ＥＧＲガスが改質させるに十分な高温（例えば約６００℃）にならなければ、改質プレ噴射された燃料を十分に改質させることができない。そこで、続くステップＳ２０（筒内温度推定手段）では、アンダーラップ期間Ｍでの気筒内の温度が所定値（例えば約６００℃）以上となるか否かを推定する。具体的には、以下の高温条件(4)〜(7)の全て、或いは少なくとも１つを満たしていることをもって、筒内温度が所定値以上になるとの推定に替えている。
(4)エンジン回転速度が所定値（上記条件(1)で用いる所定値よりも大きい値）以上である。
(5)エンジン負荷が所定値（上記条件(2)で用いる所定値よりも大きい値）以上である。
(6)エンジン１０を始動させてから所定時間以上が経過している。
(7)エンジン冷却水の温度が所定値（上記条件(3)で用いる所定値よりも大きい値）以上である。

さらにステップＳ２０では、上記高温条件(4)〜(7)の他に、閉弁制御が実行可能であるとの条件(8)、及びリーンモードでの運転中であるとの条件(9)を全て満たした場合に、改質可能条件を満たしていると判定してフラグex_reformをオンに設定し、これらの条件(4)〜(9)を満たしていない場合にはフラグex_reformをオフに設定する。

なお、上記条件(8)についての具体例としては、可変バルブ装置３３，３４が作動可能な状態であることが挙げられ、上記条件(9)についての具体例としては、ステップＳ１０にてフラグex_leanがオンに設定されていることが挙げられる。

続くステップＳ３０では、吸気バルブ３１に設けられた可変バルブ装置３３による前記相対位置（位相）の目標値（目標位相角evttrg_in）を算出するとともに、排気バルブ３２に設けられた可変バルブ装置３４による前記相対位置（位相）の目標値（目標位相角evttrg_out）を算出する。これらの目標値はエンジン冷却水の温度等に応じて補正するようにしてもよい。

図５は、ステップＳ３０のサブルーチン処理を示すフローチャートであり、先ずステップＳ３０１において、ステップＳ１０にて設定したフラグex_leanがオンになっているか否かを判定する。フラグex_leanがオンである場合（Ｓ３０１：ＹＥＳ）には、続くステップＳ３０２において、両バルブ装置３３，３４各々の目標位相角evttrgと実際の位相角との差が所定値以下であり、かつ、ステップＳ２０にて設定したフラグex_reformがオンになっているか否かを判定する。

｜Evttrg−実位相角｜＜所定値かつex_reformオンと判定された場合（Ｓ３０２：ＹＥＳ）には、ステップＳ３０３（アンダーラップ制御手段）において、リーンモードかつ改質プレ噴射時用の吸気用マップEVTMAP1及び排気用マップEVTEXMAP1に基づき、目標位相角evttrg_in，evttrg_outを算出する。これらのマップEVTMAP1，EVTEXMAP1は、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じた位相角が記憶されたものであり、その位相角は、予め試験等により最適化されたものである。そして、これらのリーン改質用マップEVTMAP1，EVTEXMAP1に記憶された位相角は、排気バルブ３２が吸気ＴＤＣより前に閉弁し、吸気バルブ３１が吸気ＴＤＣより後に開弁するよう設定されている。

一方、｜Evttrg−実位相角｜＜所定値かつex_reformオンでないと判定された場合（Ｓ３０２：ＮＯ）には、ステップＳ３０４において、通常リーンモード用の吸気用マップEVTMAP2及び排気用マップEVTEXMAP2に基づき、目標位相角evttrg_in，evttrg_outを算出する。また、フラグex_leanがオフである場合（Ｓ３０１：ＮＯ）には、ステップＳ３０５において、ストイキモード用の吸気用マップEVTMAP3及び排気用マップEVTEXMAP3に基づき、目標位相角evttrg_in，evttrg_outを算出する。

これらのマップEVTMAP2，EVTEXMAP2，EVTMAP3，EVTEXMAP3は、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じた位相角が記憶されたものであり、その位相角は、予め試験等により最適化されたものである。なお、続くステップＳ３０６では、上記ステップＳ３０３，Ｓ３０４，Ｓ３０５のいずれかで算出された目標位相角を、evttrg_in，evttrg_outに格納して更新する。

ところで、本実施形態では、図１中の符号５１に示す如く、燃焼室２２で発生したイオンの量を検出するイオン電流検出回路５１（改質量検出手段（イオン検出手段））を備えている。このイオン電流検出回路５１は、気筒内での燃焼発生に伴い点火プラグ３６の中心電極及び接地電極間に流れるイオン電流を検出する回路である。

ここで、本発明者らが行った図６に示す試験結果によれば、改質プレ噴射された燃料が改質されることに伴い燃焼室２２でイオンが発生し、そのイオン発生量は改質された量（改質量）が多いほど多くなることが分かった。当該試験では、上記イオン電流検出回路５１を用いて改質に伴い発生したイオンを検出しており、アンダーラップ期間Ｍ（図６の例ではクランク角度が約３４０℃Ａ〜３８０℃Ａの期間）においては、図６中の実線、破線、一点鎖線に示すグラフの順に改質量は増大しており、この増大に応じてイオン電流の値が増大していることが分かる。

なお、図６中の点線に示すグラフは改質プレ噴射を実施しなかった時のイオン電流を示しており、この場合には、アンダーラップ期間Ｍでのイオン電流は検出されなかった。ちなみに、改質量と、その改質による燃料が燃焼した時の排気に含まれる酸素量とは相関があることが分かっている。そのため当該試験では、排気中の酸素量を計測することで実際の改質量を把握している。

この図６に示す試験結果に基づき本実施形態では、イオン電流検出回路５１によりアンダーラップ期間Ｍにイオン電流を検出し、検出したイオン電流の値に基づき改質量を推定する。そして、推定した改質量に基づき、後述するＳ４０で算出する目標空燃比を補正する。つまり、推定した改質量が多ければ、改質によるリーン限界の拡大が大きいはずであるため目標空燃比をリーン側に補正する。一方、推定した改質量が少なければ、改質によるリーン限界の拡大が小さいはずであるため目標空燃比をリッチ側に補正する。

以上の点を鑑み、図４のステップＳ３５では、イオン電流検出回路５１を用いて、アンダーラップ期間Ｍに点火プラグ３６の電極を流れたイオン電流の値を検出する。具体的には、アンダーラップ期間Ｍにおいて刻一刻と変化するイオン電流値を積算した積分値を算出する。つまり、図６の点線で囲まれた部分におけるイオン電流波形の面積を前記積分値として算出する。

図７は、ステップＳ３５のサブルーチン処理を示すフローチャートであり、１燃焼サイクル毎に繰り返し実行される。先ずステップＳ３５１では、前回の燃焼サイクルにおいて後述するステップＳ３５１により算出されたイオン電流値eion_aveの値を、前回値eion_preに格納する（eion_pre＝eion_ave）。

続くステップＳ３５２において、ステップＳ１０にて設定したフラグex_leanがオンになっているか否かを判定する。フラグex_leanがオンである場合（Ｓ３５２：ＹＥＳ）には、続くステップＳ３５３において、両バルブ装置３３，３４各々の目標位相角evttrgと実際の位相角との差が所定値以下であり、かつ、ステップＳ２０にて設定したフラグex_reformがオンになっているか否かを判定する。

｜Evttrg−実位相角｜＜所定値かつex_reformオンと判定された場合（Ｓ３５３：ＹＥＳ）には、ステップＳ３５４において、１回前の燃焼サイクルでのアンダーラップ期間Ｍに検出したイオン電流波形の面積（積分値）を、イオン電流値eion_valとして算出する。続くステップＳ３５６では、ステップＳ３５４で算出したイオン電流値eion_valになまし処理を施してeion_aveに格納する。

具体的には、ステップＳ３５４で算出したイオン電流値eion_valとステップＳ３５１で格納したeion_preとの偏差（eion_val−eion_pre）を算出し、その偏差に定数ｋ（０＜ｋ＜１）を乗算して得られた値をeion_preに加算する。つまり、eion_ave＝eion_pre＋ｋ（eion_val−eion_pre）との算出式によりイオン電流値eion_aveを算出する。

一方、｜Evttrg−実位相角｜＜所定値かつex_reformオンでないと判定された場合（Ｓ３５３：ＮＯ）、或いはフラグex_leanがオフである場合（Ｓ３５２：ＮＯ）には、ステップＳ３５５において、イオン電流値eion_aveをリセットしてゼロにする。以上により、アンダーラップ期間Ｍに点火プラグ３６の電極を流れたイオン電流値eion_aveを算出する。

図４の説明に戻り、ステップＳ３６では、後のステップＳ４０で算出する目標空燃比etrgAFを補正するための目標A/F補正量を算出する。

図８は、ステップＳ３６のサブルーチン処理を示すフローチャートであり、先ずステップＳ３６１では、ステップＳ３０で算出した目標位相角evttrg_in，evttrg_outに基づきアンダーラップ期間Ｍの長さ（アンダーラップ量evt_ul）を算出する。そして、このアンダーラップ量evt_ul及びステップＳ３５６で算出したイオン電流値eion_aveに基づき、改質量ereformを算出する。

具体的には、アンダーラップ量evt_ul及びイオン電流値eion_aveに応じた改質量の最適値を予め試験等により取得しておき、その最適化された改質量ereformの値をマップEREFORMMAP（図８参照）に記憶させておく。なお、先述した通りイオン電流値eion_aveが大きいほど改質量は多くなる。また、アンダーラップ量evt_ulが大きいほど、燃焼室２２内に閉じ込められる排気（内部ＥＧＲ）の量が多くなるためより高温となり、改質量も多くなる。したがって、イオン電流値eion_ave及びアンダーラップ量evt_ulが大きいほど改質量が多くなるよう、マップEREFORMMAP中の改質量ereformは設定されている。

続くステップＳ３６２では、ステップＳ３６１で算出した改質量、エンジン回転速度及びエンジン負荷に基づき目標A/F補正量を算出する。具体的には、改質量、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じた目標A/F補正量の最適値を予め試験等により取得しておき、その最適化された目標A/F補正量の値をマップ（図示せず）に記憶させておく。改質量が多いほど目標A/Fをリーン側に大きく補正するよう、マップ中の目標A/F補正量は設定されている。

図４の説明に戻り、ステップＳ４０では目標空燃比etrgAF（目標Ａ／Ｆ）を算出する。図９は、ステップＳ４０のサブルーチン処理を示すフローチャートであり、先ずステップＳ４０１において、ステップＳ１０にて設定したフラグex_leanがオンになっているか否かを判定する。フラグex_leanがオンである場合（Ｓ４０１：ＹＥＳ）には、続くステップＳ４０２において、両バルブ装置３３，３４各々の目標位相角evttrgと実際の位相角との差が所定値以下であり、かつ、ステップＳ２０にて設定したフラグex_reformがオンになっているか否かを判定する。

｜Evttrg−実位相角｜＜所定値かつex_reformオンと判定された場合（Ｓ４０２：ＹＥＳ）には、ステップＳ４０３において、リーンモードかつ改質プレ噴射時用のマップEAFMAP1に基づき、目標空燃比etrgAFを算出する。このマップEAFMAP1は、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じた空燃比が記憶されたものであり、その空燃比は、予め試験等により最適化されたものである。

一方、｜Evttrg−実位相角｜＜所定値かつex_reformオンでないと判定された場合（Ｓ４０２：ＮＯ）には、ステップＳ４０４において、通常リーンモード用のマップEAFMAP2に基づき目標空燃比etrgAFを算出する。また、フラグex_leanがオフである場合（Ｓ４０１：ＮＯ）には、ステップＳ４０５において、ストイキモード用のマップEAFMAP3に基づき目標空燃比etrgAFを算出する。

これらのマップEAFMAP2，EAFMAP3は、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じた空燃比が記憶されたものであり、その空燃比は、予め試験等により最適化されたものである。なお、続くステップＳ４０６では、上記ステップＳ４０３，Ｓ４０４，Ｓ４０５のいずれかで算出された目標空燃比を、etrgAFに格納して更新する。この格納値はエンジン冷却水の温度等に応じて補正するようにしてもよい。

そして、ステップＳ４０３で用いられるリーン改質用マップEAFMAP1とステップＳ４０４で用いられる通常リーンマップEAFMAP2とを比較すると、同じマップ位置（同じエンジン回転速度及びエンジン負荷）における空燃比は、リーン改質用マップEAFMAP1の方が通常リーンマップEAFMAP2よりもリーンとなるよう、又はマップ位置によっては同じ値となるよう設定されている。

図４の説明に戻り、ステップＳ５０では、１燃焼サイクルあたりに噴射する目標噴射量を算出する。具体的には、エアフロメータ１２により検出された吸気量やアクセルセンサ４７により検出されたアクセル操作量等のエンジン負荷に関連する値と、エンジン回転速度とに基づきマップ等を用いて目標噴射量を算出する。この目標噴射量はエンジン冷却水の温度等に応じて補正するようにしてもよい。また、ステップＳ４０にて算出した目標空燃比etrgAFと、空燃比センサ３９により検出された実際の空燃比との偏差が小さくなるよう、前記偏差に応じて目標噴射量を補正して、フィードバック制御する。

続くステップＳ６０では、燃料の噴射時期を算出する。図１０は、ステップＳ６０のサブルーチン処理を示すフローチャートであり、先ずステップＳ６０１において、ステップＳ１０にて設定したフラグex_leanがオンになっているか否かを判定する。フラグex_leanがオンである場合（Ｓ６０１：ＹＥＳ）には、続くステップＳ６０２において、両バルブ装置３３，３４各々の目標位相角evttrgと実際の位相角との差が所定値以下であり、かつ、ステップＳ２０にて設定したフラグex_reformがオンになっているか否かを判定する。

｜Evttrg−実位相角｜＜所定値かつex_reformオンと判定された場合（Ｓ６０２：ＹＥＳ）には、ステップＳ６０３（プレ噴射制御手段）において、リーンモードかつ改質プレ噴射時用のマップEINJTIMMAP1に基づき、噴射時期einjtimを算出する。このマップEINJTIMMAP1は、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じた噴射時期のパターンが記憶されたものであり、その噴射時期パターンは、予め試験等により最適化されたものである。

一方、｜Evttrg−実位相角｜＜所定値かつex_reformオンでないと判定された場合（Ｓ６０２：ＮＯ）には、ステップＳ６０４において、通常リーンモード用のマップEINJTIMMAP2に基づき噴射時期einjtimを算出する。また、フラグex_leanがオフである場合（Ｓ６０１：ＮＯ）には、ステップＳ６０５において、ストイキモード用のマップEINJTIMMAP3に基づき噴射時期einjtimを算出する。

これらのマップEINJTIMMAP2，EINJTIMMAP3は、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じた空燃比が記憶されたものであり、その空燃比は、予め試験等により最適化されたものである。なお、続くステップＳ６０６では、上記ステップＳ６０３，Ｓ６０４，Ｓ６０５のいずれかで算出された噴射時期を、einjtimに格納して更新する。この格納値はエンジン冷却水の温度等に応じて補正するようにしてもよい。

そして、ステップＳ６０３で用いられるリーン改質用マップEINJTIMMAP1では、ステップＳ５０で算出した量の燃料を、改質プレ噴射とメイン噴射とに分割して噴射するよう設定されている。つまり、排気行程から吸気行程にかけての吸気ＴＤＣを含むアンダーラップ期間Ｍのうち、少なくとも排気行程期間（吸気ＴＤＣよりも前の期間）で改質プレ噴射するよう設定される。また、改質プレ噴射の後に実施するメイン噴射については、リーンモード運転に適した時期、つまり少なくとも圧縮行程期間に噴射するか、エンジン運転状態に応じて圧縮行程と吸気行程とに分割して噴射するよう設定される。

ステップＳ６０４で用いられるマップEINJTIMMAP2では、改質プレ噴射を実行しないよう設定されており、ステップＳ５０で算出した量の燃料をメイン噴射により噴射するよう設定されている。なお、当該マップEINJTIMMAP2でのメイン噴射は、リーンモード運転に適した時期、つまり圧縮行程期間に１回噴射する場合、圧縮行程期間に２回以上に分割して噴射する場合、吸気行程期間と圧縮行程期間とに分割して噴射する場合、等に設定されている。要するに、少なくとも圧縮行程期間に１回は噴射するよう設定されている。

ステップＳ６０５で用いられるマップEINJTIMMAP3では、改質プレ噴射を実行しないよう設定されており、ステップＳ５０で算出した量の燃料をメイン噴射により噴射するよう設定されている。なお、当該マップEINJTIMMAP2でのメイン噴射は、ストイキモード運転に適した時期、つまり吸気行程期間に１回噴射する場合、吸気行程期間に２回以上に分割して噴射する場合、吸気行程期間と圧縮行程期間とに分割して噴射する場合、圧縮行程期間に１回噴射する場合、等に設定されている。

図４の説明に戻り、ステップＳ７０では、エンジン負荷及びエンジン回転速度等に基づき、点火プラグ３６による点火時期、スロットルバルブ１４の開度、及びＥＧＲバルブ４６の開度等を算出する。具体的には、エンジン負荷及びエンジン回転速度に対する適合値を予め試験し、その試験により取得した適合値をマップに記憶させ、そのマップを用いて点火時期、スロットルバルブ開度、ＥＧＲバルブ開度等を算出することが一例として挙げられる。これらのマップは、高負荷高回転であるほど点火時期を進角させ、スロットルバルブ開度を大きくし、ＥＧＲバルブ開度を小さくする傾向となるよう設定されている。なお、アンダーラップ期間Ｍでは点火させないことは勿論である。

そして、続くステップＳ１００では、ステップＳ４０で算出した目標Ａ／Ｆを、ステップＳ３６で算出した目標Ａ／Ｆ補正量で補正して得られた値に基づき、インジェクタ２１の駆動を制御する。また、ステップＳ５０，Ｓ６０，Ｓ７０で算出した各種値に基づき、可変バルブ装置３３，３４、点火プラグ３６、スロットルバルブ１４、ＥＧＲバルブ４６等の各アクチュエータの駆動を制御する。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

（１）排気行程から吸気行程にかけての所定期間に、可変バルブ装置３３，３４により吸気バルブ３１及び排気バルブ３２をともに閉弁させるアンダーラップ期間Ｍを作り出し、そのアンダーラップ期間Ｍに、１燃焼サイクル当たりに噴射させる燃料の一部を噴射（改質プレ噴射）させる。そのため、アンダーラップ期間Ｍにおいて燃焼室２２内を高温環境にすることができ、その高温環境下に改質プレ噴射した燃料をさらして低級ＨＣ成分に改質することができる。よって、噴射した燃料の成分を着火前に低級化するよう改質することができる。

以下、上記（１）の効果を、図１１を用いてさらに詳細に説明する。図１１は、本発明者らが行った試験結果を示すグラフであり、改質プレ噴射により噴射された燃料の、改質反応前と後におけるＨＣ成分の濃度を検出した結果である。本実施形態による閉弁制御及び改質プレ噴射によれば、高級ＨＣ成分であるＣ８Ｈ１８（イソオクタン）の濃度が改質により減少することが確認された（図１１（ａ）参照）。また、低級ＨＣ成分であるＣ２Ｈ４（エチレン）、Ｃ３Ｈ６（プロピレン）、ＣＨ４（メタン）、Ｃ２Ｈ６（エタン）の濃度が改質により増加することが確認された（図１１（ｂ）参照）。

（２）リーンモード運転中であることを条件として閉弁制御及び改質プレ噴射を実行する。よって、燃焼が不安定にならない程度の限界まで空燃比をリーンに設定するにあたり、改質により着火性を高めて燃焼安定性を向上させるので、空燃比をより一層リーンにすることができる（つまりリーン限界を拡大することができる）。よって、ポンピングロス低減による燃費向上を促進できる。

以下、上記（２）の効果を、図１１を用いてさらに詳細に説明する。図１１は、本発明者らが行った試験結果を示すグラフであり、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）の各々のケース（詳細は後述）について、空燃比Ａ／Ｆを変化させて燃焼安定指数ＣＯＶ（Coefficient Of Variation）の値を検出した結果である。燃焼安定指数ＣＯＶとは、最も安定性の悪い失火から最も安定性の良い完全燃焼までの度合を示す指数であり、その値が小さいほど燃焼の安定性が高いことを示している。

図３（ａ）は、アンダーラップ期間Ｍを設けることなく吸気バルブ３１及び排気バルブ３２を同時に開弁させるオーバーラップ期間を設けるよう、ステップＳ３０５のストイキ用マップEVTMAP3に基づき可変バルブ装置３３，３４を制御させ、かつ、ステップＳ６０５のストイキ用マップEINJTIMMAP3に基づき改質プレ噴射を実施しないよう噴射制御したケースである。

図３（ｂ）は、アンダーラップ期間Ｍを設けるようステップＳ３０４の通常リーン用マップEVTMAP2に基づき可変バルブ装置３３，３４を制御させ、かつ、改質プレ噴射を実施しないようステップＳ６０４の通常リーン用マップEINJTIMMAP2に基づき噴射制御したケースである。

図３（ｃ）は、アンダーラップ期間Ｍを設けるようステップＳ３０３のリーン改質用マップEVTMAP1に基づき可変バルブ装置３３，３４を制御させ、かつ、改質プレ噴射を実施するようステップＳ６０３のリーン改質用マップEINJTIMMAP1に基づき噴射制御したケースである。

図３（ａ）での試験結果は図１１中の丸印に、図３（ｂ）での試験結果は図１１中の点線に、図３（ｃ）での試験結果は図１１中の実線に示す。これにより、改質プレ噴射を実施する図３（ｃ）のケースによれば、ＣＯＶの値が低下することが確認された。そして、燃焼が不安定になるＣＯＶの限界値として閾値ＴＨを設定した場合に、改質プレ噴射を実施する図３（ｃ）のケースによれば、改質プレ噴射を実施しない図３（ｂ）のケースに比べ、閾値ＴＨに達するまでの空燃比を約１５．５から１７．５までに拡大できることが確認された。

（３）ステップＳ３６において、改質プレ噴射された燃料の改質量が多いほど空燃比をリーンにするので、燃焼が不安定にならない程度の限界まで空燃比をリーンにすることを、精度よく制御できる。つまり、リーン限界を精度良く拡大することができる。

（４）ステップＳ２０において、アンダーラップ期間Ｍでの気筒内の温度が所定値（例えば約６００℃）以上となるか否かを推定し、所定値以上となると判定したことを条件（高温条件(4)〜(7)）として、アンダーラップ期間Ｍを作り出す閉弁制御、及び改質プレ噴射を実行する。そのため、十分な高温環境下にさらすことができない状況での閉弁制御及び改質プレ噴射を回避できる。

（５）ステップＳ２０において、高温条件(4)〜(7)に加え、閉弁制御が実行可能（例えば可変バルブ装置３３，３４に異常が生じていない作動可能な状態）であるとの条件(8)を満たしている場合に、閉弁制御及び改質プレ噴射を実行する。よって、アンダーラップ期間Ｍを作り出すことができない状況下で改質プレ噴射を実行してしまうことを回避できる。

（６）閉弁制御させるべく可変バルブ装置３３，３４の駆動を制御するにあたり、目標位相角evttrgが実際の位相角から大きく離れている時には、即座にアンダーラップ期間Ｍを作り出すことができないため、アンダーラップ期間Ｍが所望長さに達していない状況下で改質プレ噴射を実行してしまうことが懸念される。このような懸念に対しステップＳ３０２，Ｓ４０２，Ｓ６０２では、｜目標位相角Evttrg−実位相角｜＜所定値であることを条件として閉弁制御及び改質プレ噴射を実行するので、上記懸念を解消できる。

（７）改質プレ噴射の開始時期を、アンダーラップ期間Ｍのうち排気行程期間に設定しているので、改質プレ噴射された燃料が高温環境下にさらされる時間を十分に長くできる。よって、改質の確実性を向上できる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、リーンモード運転が可能なエンジンに改質プレ噴射を適用させることで、リーン限界の拡大を図っている。これに対し本実施形態では、排気の一部を吸気に還流させるＥＧＲモード運転が可能なエンジンに改質プレ噴射を適用させることで、以下に説明する耐ＥＧＲ限界の拡大を図っている。

本実施形態では、ＥＧＲバルブ４６の開度を制御することでＥＧＲ量を制御するにあたり、エンジン１０の運転領域が高回転高負荷領域ではＥＧＲ量を減少させてエンジン１０の出力トルク確保を図る一方、低回転低負荷領域では、燃焼が不安定にならない程度の限界までＥＧＲ量を増大させて排気エミッション低減を図っている。ここで、低回転低負荷領域においてＥＧＲ量を増大させるほど燃焼が不安定になる。よって、低回転低負荷領域でのＥＧＲ量は、燃焼が不安定にならない程度の限界まで増大させることで排気エミッション低減を図っている。したがって、このような低回転低負荷領域での運転時に改質により着火性を高めさせれば、ＥＧＲ量をより一層増大させることができる（つまり耐ＥＧＲ限界を拡大することができる）。よって、排気エミッション低減を促進できる。

以下、本実施形態において、ＥＣＵ５０により実行される閉弁制御及び改質プレ噴射に関する制御プラグラムの詳細を、図１３〜図１６のフローチャートを参照しながら説明する。図１３はエンジン制御のメインルーチンを示すフローチャートであり、本ルーチンは、イグニッションスイッチのオン後においてＥＣＵ５０により例えば所定周期で繰り返し実行される。

なお、以下の記載は、図４，５，７〜１０との違いを主に説明するものであり、第１実施形態及び本実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。また、本実施形態におけるエンジン制御システムのハード構成は、図１に示す上記第１実施形態と同じである。

図１３において、図４のステップＳ２０，Ｓ３０，Ｓ３５，Ｓ３６，Ｓ５０，Ｓ６０と同様の処理を実行した後、後述するステップＳ７５，Ｓ８０を実行し、その後図４のステップＳ１００と同様の処理を実行する。図１３に示す本実施形態では、図４のステップＳ１０におけるリーン燃焼条件の判定処理を廃止している。この廃止に伴い、ステップＳ３０のサブルーチン処理である図１４のフローチャートでは、図５のステップＳ３０１，Ｓ３０５を廃止している。また、ステップＳ６０のサブルーチン処理である図１５のフローチャートでは、図１０のステップＳ６０１，Ｓ６０５を廃止している。

図１３のステップＳ７５では、エンジン負荷及びエンジン回転速度等に基づき、点火プラグ３６による点火時期、及びスロットルバルブ１４の開度を、図４のステップＳ７０と同様に算出する。そして、ＥＧＲバルブ４６の開度算出については、次のステップＳ８０にて別途算出している。

図１６は、ステップＳ８０のサブルーチン処理を示すフローチャートであり、先ずステップＳ８０１において、両バルブ装置３３，３４各々の目標位相角evttrgと実際の位相角との差が所定値以下であり、かつ、ステップＳ２０にて設定したフラグex_reformがオンになっているか否かを判定する。

｜Evttrg−実位相角｜＜所定値かつex_reformオンと判定された場合（Ｓ８０１：ＹＥＳ）には、ステップＳ８０２において改質プレ噴射時用のマップEEGRMAP1に基づき目標ＥＧＲ量を算出し、｜Evttrg−実位相角｜＜所定値かつex_reformオンでないと判定された場合（Ｓ８０１：ＮＯ）には、ステップＳ８０３において通常時用のマップEEGRMAP2に基づき目標ＥＧＲ量を算出する。

これらのマップEEGRMAP1，EEGRMAP2は、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じたＥＧＲ量が記憶されたものであり、そのＥＧＲ量は、予め試験等により最適化されたものである。なお、続くステップＳ８０４では、上記ステップＳ８０２，Ｓ８０３のいずれかで算出された目標ＥＧＲ量を、eegrtrgに格納して更新する。この格納値はエンジン冷却水の温度等に応じて補正するようにしてもよい。

そして、ステップＳ８０２で用いられる改質用マップEEGRMAP1とステップＳ８０３で用いられる通常時用マップEEGRMAP2とを比較すると、同じマップ位置（同じエンジン回転速度及びエンジン負荷）におけるＥＧＲ量は、改質用マップEEGRMAP1の方が通常時用マップEEGRMAP2よりも多くなるよう、又はマップ位置によっては同じ量となるよう設定されている。ちなみに、マップEEGRMAP1，EEGRMAP2中のＥＧＲ量がゼロとなっていない領域での運転がＥＧＲモードでの運転に相当する。

以上詳述した本実施形態によれば、改質プレ噴射時用のマップEEGRMAP1に基づき目標ＥＧＲ量を算出する際、燃焼が不安定にならない程度の限界までＥＧＲ量を多くするにあたり、改質により着火性を高めて燃焼安定性を向上させるので、ＥＧＲ量をより一層増大させることができる（つまり耐ＥＧＲ限界を拡大することができる）。よって、排気エミッション低減を促進できる。

（第３実施形態）
上記第１実施形態では、リーンモード運転が可能なエンジンに改質プレ噴射を適用させることで、リーン限界の拡大を図っている。これに対し本実施形態では、点火時期を遅角させて触媒暖機を行うエンジンに改質プレ噴射を適用させることで、以下に説明する点火遅角限界の拡大を図っている。

触媒３７，３８は、所定温度以上にならないと排気浄化機能を十分に発揮できない。よって、エンジン１０を冷間始動させる場合等、触媒３７，３８が所定温度に達しておらず低温状態になっている場合には、触媒３７，３８を暖機させて触媒温度を早期に上昇させることが要求される。そこで本実施形態では、通常時よりも点火時期を遅角させることで排ガス温度の上昇を図り、ひいては触媒温度の上昇促進を図る触媒暖機運転を実施する。但し、点火時期を過剰に遅角させると、燃焼室２２内で最適な燃焼が行われないため、燃焼状態が不安定となりエンジン回転速度の変動が大きくなる等の不具合が生じる。そこで本実施形態では、触媒暖機運転を実施する際に改質により着火性を向上させることで、燃焼状態の安定化を図ることができ、ひいては点火時期をより一層遅角させて触媒暖機を促進できる（つまり点火遅角の限界を拡大することができる）。よって、排気エミッション低減を促進できる。

以下、本実施形態において、ＥＣＵ５０により実行される閉弁制御及び改質プレ噴射に関する制御プラグラムの詳細を、図１７及び図１８のフローチャートを参照しながら説明する。図１７はエンジン制御のメインルーチンを示すフローチャートであり、本ルーチンは、イグニッションスイッチのオン後において、触媒３７，３８の暖機が完了していない時、つまり触媒温度が所定温度以上に達していない時に、ＥＣＵ５０により例えば所定周期で繰り返し実行される。このような暖機未完了時の運転が触媒暖機モードに相当する。

なお、以下の記載は、図１３との違いを主に説明するものであり、第２実施形態及び本実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。また、本実施形態におけるエンジン制御システムのハード構成は、図１に示す上記第１実施形態と同じである。

触媒暖機が完了していない時に実行される図１７の処理において、図１３のステップＳ２０，Ｓ３０，Ｓ３５，Ｓ３６，Ｓ５０，Ｓ６０と同様の処理を実行した後、後述するステップＳ７６，Ｓ９０を実行し、その後図１３のステップＳ１００と同様の処理を実行する。図１７のステップＳ７６では、エンジン負荷及びエンジン回転速度等に基づき、スロットルバルブ１４の開度、及びＥＧＲバルブ４６の開度を、図４のステップＳ７０と同様に算出する。そして、点火プラグ３６による点火時期の算出については、次のステップＳ９０にて別途算出している。

図１８は、ステップＳ９０のサブルーチン処理を示すフローチャートであり、先ずステップＳ９０１において、ステップＳ２０にて設定したフラグex_reformがオンになっているか否かを判定する。ex_reformオンと判定された場合（Ｓ９０１：ＹＥＳ）には、ステップＳ９０２において改質プレ噴射時用のマップESAMAP1に基づき目標点火時期を算出し、ex_reformオンでないと判定された場合（Ｓ９０１：ＮＯ）には、ステップＳ９０３において通常時用のマップESAMAP2に基づき目標点火時期を算出する。

これらのマップESAMAP1，ESAMAP2は、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じた点火時期が記憶されたものであり、その点火時期は、予め試験等により最適化されたものである。なお、続くステップＳ９０４では、上記ステップＳ９０２，Ｓ９０３のいずれかで算出された目標点火時期を、etrgsaに格納して更新する。この格納値はエンジン冷却水の温度等に応じて補正するようにしてもよい。

そして、ステップＳ９０２で用いられる改質用マップESAMAP1とステップＳ９０３で用いられる通常時用マップESAMAP2とを比較すると、同じマップ位置（同じエンジン回転速度及びエンジン負荷）における点火時期は、改質用マップESAMAP1の方が通常時用マップESAMAP2よりも遅くなるよう、又はマップ位置によっては同じ時期となるよう設定されている。

以上詳述した本実施形態によれば、改質プレ噴射時用のマップESAMAP1に基づき目標点火時期を算出する際、燃焼が不安定にならない程度の限界まで遅角するにあたり、改質により着火性を高めて燃焼安定性を向上させるので、遅角量をより一層増大させることができる（つまり点火遅角の限界を拡大することができる）。よって、触媒暖機を促進して排気エミッション低減を促進できる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。また、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記第４実施形態では、改質プレ噴射された燃料が改質されることに伴い燃焼室２２でイオンが発生し、そのイオン発生量は改質された量（改質量）が多いほど多くなることに着目したものである。一方で本発明者らは、高級ＨＣ成分が低級ＨＣ成分に改質されると分子数が増大するため、燃焼室２２内の圧力（気筒内圧力）が上昇するとの知見を得た。つまり、アンダーラップ期間Ｍでの筒内圧が高いほど改質量が多くなる。この点に着目し、燃焼室２２内の圧力を検出する筒内圧センサ４８（改質量検出手段（筒内圧検出手段））を図１に示すように設け、アンダーラップ期間Ｍでの筒内圧センサによる検出値に基づき改質量を推定するようにしてもよい。

・図４のステップＳ３５においてアンダーラップ期間Ｍでのイオン電流値を検出、算出するにあたり、上記第４実施形態ではイオン電流波形の面積（積分値）をイオン電流値として算出しているが、イオン電流波形のうちアンダーラップ期間Ｍでのピーク値をイオン電流値として算出するようにしてもよい。なお、筒内圧センサによる検出値に基づき改質量を推定する場合においても、筒内圧検出波形は、図６に示すイオン電流波形と同様の波形になるため、筒内圧検出波形の面積（積分値）或いはピーク値を筒内圧力値として算出することが望ましい。

・上記各実施形態では、リーン限界拡大、ＥＧＲ限界拡大、及び点火遅角限界拡大を図るべく、リーンモード運転時、ＥＧＲモード運転時、及び触媒暖機運転時に、閉弁制御及び改質プレ噴射を実行しているが、本発明による閉弁制御及び改質プレ噴射の実行時期はこれらの時に限定されるものではなく、これらの時以外でも着火性を向上させたい時に広く利用できる。例えば、エンジン１０の加速運転時やエンジン１０の始動時にも着火性を向上させると有利な場合があるため、そのような時に閉弁制御及び改質プレ噴射を実行してもよい。

・上記第４実施形態では、リーン限界を精度良く拡大することを図るべく、改質量に応じて目標Ａ／Ｆを補正しているが、ＥＧＲ限界及び点火遅角限界を精度良く拡大すべく、改質量に応じてＥＧＲ量及び点火遅角量を補正するようにしてもよい。具体的には、改質量が多いほどＥＧＲ量を増大するよう補正し、改質量が多いほど点火遅角量を増大するよう補正することが望ましい。

・また、改質量に応じて次回の改質プレ噴射量を補正するようにしてもよい。具体的には、改質量が多いほど次回の改質プレ噴射量を減少させることで、メイン噴射を過剰に減らすことなく着火性向上を図る。

・図５のステップＳ３０３において、リーンモードかつ改質プレ噴射時用のマップEVTMAP1，EVTEXMAP1に基づき、目標位相角evttrg_in，evttrg_outを算出してアンダーラップ期間Ｍの長さを決定するにあたり、エンジン回転速度が速いほどアンダーラップ期間Ｍを長くするようマップEVTMAP1，EVTEXMAP1を設定することが望ましい。

・また、エンジン負荷が大きいほどアンダーラップ期間Ｍを短くするようマップEVTMAP1，EVTEXMAP1を設定することが望ましい。これによれば、高負荷時において十分な吸気量を確保して高出力確保を図るとともに、内部ＥＧＲ量が過多となることを回避して高出力確保を図ることができる。

・図１に示す実施形態では、上流側の触媒３７を三元触媒とし、下流側の触媒３８をＮＯｘ触媒としているが、両触媒３７，３８を三元触媒としたエンジン制御システムに本発明の制御装置を適用させてもよい。

・上記各実施形態では、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開閉時期を調整可能なバルブタイミング調整装置として可変バルブ装置３３，３４を採用しているが、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２のリフト量を調整する装置を採用し、リフト量を調整することで吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開閉時期を調整するようにしてもよい。ちなみに、リフト量を調整する装置の具体例として、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２を電動アクチュエータによりクランク軸回転角度とは無関係に開閉駆動させる、電磁式の可変バルブ駆動機構が挙げられる。

・上記実施形態では、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の両方に可変バルブ装置３３，３４を設ける構成としたが、これを変更し、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２のいずれか一方にのみ可変バルブ装置を設ける構成であってもよい。

本発明の第１実施形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図。 燃料に含まれるＨＣ成分の炭素原子数と、着火に必要な最小点火エネルギとの関係を示す図。 第１実施形態において、閉弁制御によるアンダーラップ期間Ｍと、改質プレ噴射の実行時期を説明する図。 第１実施形態において、エンジン制御のメインルーチンを示すフローチャート。 目標位相を算出するための、図４のサブルーチン処理を示すフローチャート。 改質量に応じてイオン電流発生量が変化することを確認するための試験結果。 イオン電流値を算出するための、図４のサブルーチン処理を示すフローチャート。 目標Ａ／Ｆ補正量を算出するための、図４のサブルーチン処理を示すフローチャート。 目標Ａ／Ｆを算出するための、図４のサブルーチン処理を示すフローチャート。 噴射時期を算出するための、図４のサブルーチン処理を示すフローチャート。 図４の処理により改質が実際に為されていることを確認するための試験結果。 図４の処理によりリーン限界が実際に拡大されていることを確認するための試験結果。 本発明の第２実施形態において、エンジン制御のメインルーチンを示すフローチャート。 第２実施形態において、目標位相を算出するためのサブルーチン処理を示すフローチャート。 第２実施形態において、噴射時期を算出するためのサブルーチン処理を示すフローチャート。 第２実施形態において、ＥＧＲ量を算出するためのサブルーチン処理を示すフローチャート。 本発明の第３実施形態において、エンジン制御のメインルーチンを示すフローチャート。 第３実施形態において、点火時期を算出するためのサブルーチン処理を示すフローチャート。

符号の説明

１０…エンジン（筒内直噴式の内燃機関）、２１…インジェクタ（燃料噴射弁）、３１…吸気バルブ、３２…排気バルブ、３３，３４…可変バルブ装置（アンダーラップ制御手段）、４８…筒内圧センサ（改質量検出手段（筒内圧検出手段））、５１…イオン電流検出回路（改質量検出手段（イオン検出手段））、Ｓ３０３…アンダーラップ制御手段、Ｓ６０３…プレ噴射制御手段。

Claims (7)

1. 燃料噴射弁から気筒内へ直接燃料を噴射する筒内直噴式の内燃機関に適用され、
   排気行程から吸気行程にかけての所定期間に、吸気バルブ及び排気バルブをともに閉弁制御してアンダーラップ期間を作り出すアンダーラップ制御手段と、
   １燃焼サイクル当たりに噴射させる燃料の一部を前記アンダーラップ期間中にプレ噴射させるよう前記燃料噴射弁を制御するプレ噴射制御手段と、
   前記プレ噴射された燃料の改質量に応じて変化する物理量を検出する改質量検出手段と、
   を備え、
   前記改質量検出手段による検出結果に応じて前記内燃機関の作動を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記改質量検出手段は、前記アンダーラップ期間に気筒内で発生したイオンの量を検出するイオン検出手段、或いは前記アンダーラップ期間での気筒内圧力を検出する筒内圧検出手段であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記アンダーラップ期間の長さが長いほど前記改質量検出手段による検出結果を増量するよう補正する改質量補正手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記改質量検出手段による検出結果が、前記改質量が多いとの結果であるほど、前記閉弁制御及び前記プレ噴射を実行している時の目標空燃比をリーンにすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関は、排気の一部を吸気に還流させるＥＧＲモードでの運転が可能となるよう構成されており、
   前記改質量検出手段による検出結果が、前記改質量が多いとの結果であるほど、前記閉弁制御及び前記プレ噴射を実行している時の排気還流量を増大させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記内燃機関は、当該内燃機関の負荷及び機関回転速度に基づき混合気への点火時期を制御する通常点火モードと、排気を浄化する触媒を暖機させるべく前記点火時期を前記通常点火モードよりも遅角させる触媒暖機モードとを切り替えて運転するよう制御され、
   前記改質量検出手段による検出結果が、前記改質量が多いとの結果であるほど、前記閉弁制御及び前記プレ噴射を実行している時の前記点火時期を遅角させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料性状検出装置と、
   前記吸気バルブ又は前記排気バルブの開閉弁時期を調整可能なバルブタイミング調整装置、及び気筒内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁の少なくとも一方と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御システム。

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