JP2010101259A

JP2010101259A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2010101259A
Application number: JP2008274082A
Authority: JP
Inventors: Junichi Mori; 純一森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2010-05-06

Abstract

【課題】圧縮行程初期に吸気ポート内へ筒内ガスが吹き返された時の吸気ポート内の吸気弁近傍の温度を正確に推定して、吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へのデポジットの生成を十分に抑制することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート４内へ吹き返される筒内ガスの温度を、この時の吸気ポート内の吸気弁７近傍の温度として推定し、推定された温度が高いほど、圧縮行程初期に吹き返される筒内ガスの最小限界空燃比を大きく設定し、燃料噴射制御として、所望燃焼空燃比が最小限界空燃比以上である時には、筒内ガスの空燃比を所望燃焼空燃比とし、所望燃焼空燃比が最小限界空燃比より小さい時には筒内ガスの空燃比を最小限界空燃比とし、所望燃焼空燃比を実現するのに必要な残りの燃料を吸気弁閉弁後に気筒内へ噴射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

気筒内へ供給された燃料は、圧縮行程初期において一般的には依然として吸気弁が開弁しているために、この時に筒内ガスと共に吸気ポート内へ吹き返される。こうして吹き返された燃料は、主に吸気弁又は吸気ポートの吸気弁近傍に付着し、それによりデポジットが生成されると、吸気抵抗を増加させて吸気充填効率を低下させることがあり、また、吸気弁のシール性を低下させることがある。

吹き返された燃料は、吸気ポート内の吸気弁近傍の温度が高いほど生成され易くなるために、デポジットの生成を十分に抑制するためには、筒内ガスが吹き返された時の吸気ポート内の吸気弁近傍の温度を推定することが必要である。吸気ポートの温度を冷却水温から推定することは提案されている（例えば、特許文献１参照）が、冷却水温からでは筒内ガスが吹き返された時の吸気ポート内の吸気弁近傍の温度を正確に推定することはできない。

特開２００７−１６２５２９特開２００７−０４０２３７特開２００７−２２４７４０特開２００７−１９２２３２特開２００７−１７０２８３特開２００８−０５１０６７

従って、本発明の目的は、圧縮行程初期に吸気ポート内へ筒内ガスが吹き返された時の吸気ポート内の吸気弁近傍の温度を正確に推定して、吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へのデポジットの生成を十分に抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ吹き返される筒内ガスの温度を、この時の吸気ポート内の吸気弁近傍の温度として推定し、推定された前記温度が高いほど、圧縮行程初期に吹き返される前記筒内ガスの最小限界空燃比を大きく設定し、燃料噴射制御として、所望燃焼空燃比が前記最小限界空燃比以上である時には、前記筒内ガスの空燃比を前記所望燃焼空燃比とし、前記所望燃焼空燃比が前記最小限界空燃比より小さい時には前記筒内ガスの空燃比を前記最小限界空燃比とし、前記所望燃焼空燃比を実現するのに必要な残りの燃料を吸気弁閉弁後に気筒内へ噴射することを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、吸気通路に設けられたスワール又はタンブルの制御弁の開度制御として、前記所望燃焼空燃比を実現するために吸気弁閉弁後に気筒内へ燃料を噴射する場合において、煤及び未燃燃料の排出量の合計を許容値以下とする混合気の均質性が点火時期において実現されるように、前記制御弁の開度を制御することを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の制御装置は、圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ吹き返される筒内ガスの温度を、この時の吸気ポート内の吸気弁近傍の温度として推定し、推定された前記温度が高いほど、圧縮行程初期に吹き返される前記筒内ガスの最小限界空燃比を大きく設定し、燃料噴射制御として、所望燃焼空燃比が前記最小限界空燃比以上である時には、前記筒内ガスの空燃比を前記所望燃焼空燃比とし、前記所望燃焼空燃比が前記最小限界空燃比より小さい時には前記筒内ガスの空燃比を前記最小限界空燃比とし、前記所望燃焼空燃比を実現するのに必要な残りの燃料を吸気弁閉弁直前に気筒内へ噴射することを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の制御装置は、請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁の気筒中心軸線に対する排気弁側への燃料噴射角度を変化させる噴射角度制御及び燃料噴射時期を変化させる噴射時期制御として、前記所望燃焼空燃比を実現するために吸気弁閉弁直前に気筒内へ燃料を噴射する場合において、吸気弁閉弁直前の燃料噴射に際して前記燃料噴射角度と前記燃料噴射時期とを変化させた時の煤及び未燃燃料の排出量と吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へのデポジットの生成量とを評価する評価関数を設定して、前記評価関数を最良とするように前記燃料噴射角度と前記燃料噴射時期とを制御することを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置において、排気弁開弁直前の筒内の排気ガス圧力に基づき排気弁開弁直前の筒内の第一排気ガス温度を推定し、前記排気ガス圧力が吸気弁開弁時の吸気管圧力になったとして前記第一排気ガス温度から断熱変化する第二排気ガス温度を排気弁閉弁時の残留排気ガス温度として推定し、吸気弁閉弁時の残留排気ガス重量及び前記第二排気ガス温度と気筒内へ供給される新気重量及び新気温度とに基づき、圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ吹き返される前記筒内ガス温度を推定することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置によれば、圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ吹き返される筒内ガスの温度を、この時の吸気ポート内の吸気弁近傍の温度として推定し、推定された温度が高いほど、圧縮行程初期に吹き返される筒内ガスの最小限界空燃比を大きく設定し、燃料噴射制御として、所望燃焼空燃比が最小限界空燃比以上である時には、筒内ガスの空燃比を所望燃焼空燃比とし、所望燃焼空燃比が最小限界空燃比より小さい時には筒内ガスの空燃比を最小限界空燃比とするために、圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ筒内ガスが吹き返されても、その筒内ガスの空燃比は、吸気ポート内の吸気弁近傍の温度に対する最小限界空燃比以上とされ、吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へのデポジットの生成を十分に抑制することができる。また、それにより、所望燃焼空燃比が実現されない時には、必要な残りの燃料は吸気弁閉弁後に気筒内へ噴射されるようになっており、吸気弁開弁中の圧縮行程初期において吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へデポジットを生成するような吸気ポート内の吸気弁近傍の温度に対する最小限界空燃比より小さな筒内ガスが吸気ポート内へ吹き返されることはない。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、吸気通路に設けられたスワール又はタンブルの制御弁の開度制御として、所望燃焼空燃比を実現するために吸気弁閉弁後に気筒内へ燃料を噴射する場合において、煤及び未燃燃料の排出量の合計を許容値以下とする混合気の均質性が点火時期において実現されるように、制御弁の開度を制御するようになっており、それにより、吸気弁閉弁後に気筒内へ噴射される燃料により実現される所望燃焼空燃比の混合気を燃焼させても煤及び未燃燃料の排出量の合計が許容値を越えることはない。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の制御装置によれば、圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ吹き返される筒内ガス温度を、この時の吸気ポート内の吸気弁近傍の温度として推定し、推定された温度が高いほど、圧縮行程初期に吹き返される筒内ガスの最小限界空燃比を大きく設定し、燃料噴射制御として、所望燃焼空燃比が最小限界空燃比以上である時には、筒内ガスの空燃比を所望燃焼空燃比とし、所望燃焼空燃比が最小限界空燃比より小さい時には筒内ガスの空燃比を最小限界空燃比とするために、圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ筒内ガスが吹き返されても、その筒内ガスの空燃比は、吸気ポート内の吸気弁近傍の温度に対する最小限界空燃比以上とされ、吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へのデポジットの生成を十分に抑制することができる。また、それにより、所望燃焼空燃比が実現されない時には、必要な残りの燃料は吸気弁閉弁直前に気筒内へ噴射されるようになっており、こうして噴射された燃料は直ぐに気筒内へ分散せず、吸気弁開弁中の圧縮行程初期において吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へデポジットを生成するような吸気ポート内の吸気弁近傍の温度に対する最小限界空燃比より小さな筒内ガスが吸気ポート内へ吹き返される可能性は低い。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁の気筒中心軸線に対する排気弁側への燃料噴射角度を変化させる噴射角度制御及び燃料噴射時期を変化させる噴射時期制御として、所望燃焼空燃比を実現するために吸気弁閉弁直前に気筒内へ燃料を噴射する場合において、吸気弁閉弁直前の燃料噴射に際して燃料噴射角度と燃料噴射時期とを変化させた時の煤及び未燃燃料の排出量と吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へのデポジットの生成量とを評価する評価関数を設定して、この評価関数を最良とするように燃料噴射角度と燃料噴射時期とが制御されるようになっており、所望燃焼空燃比を実現するために吸気弁閉弁直前に気筒内へ噴射される燃料は、煤及び未燃燃料の排出量と吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へのデポジットの生成量に対して最適となるような燃料噴射角度と燃料噴射時期とで噴射される。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置において、排気弁開弁直前の筒内の排気ガス圧力に基づき排気弁開弁直前の筒内の第一排気ガス温度を推定し、排気ガス圧力が吸気弁開弁時の吸気管圧力になったとして第一排気ガス温度から断熱変化する第二排気ガス温度を排気弁閉弁時の残留排気ガス温度として推定し、排気弁閉弁時の残留排気ガス重量及び第二排気ガス温度と気筒内へ供給される新気重量及び新気温度とに基づき、圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ吹き返される筒内ガス温度を推定するようになっており、気筒内壁近傍に温度センサを配置したとしても、このような温度センサでは気筒内壁温度の影響を受けるために正確に測定することの困難な筒内ガス温度を、筒内圧力センサを使用して測定される筒内の排気ガス圧力に基づき正確に推定することができる。

図１は本発明による制御装置が取り付けられる筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。同図において、１は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２は燃料噴射弁１の吸気ポート側近傍に配置された点火プラグである。３はピストン、４は一対の吸気弁７を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポート、５は一対の排気弁８を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートを、それぞれ示している。９は気筒内の圧力を測定するための圧力センサである。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により吸気行程中に噴射された燃料により気筒内に所望燃焼空燃比の均質混合気を形成し、この均質混合気を点火プラグ２により着火燃焼させる均質燃焼を実施するものである。所望燃焼空燃比としては、通常は理論空燃比が選択されるが、機関低負荷時には、理論空燃比よりリーンな空燃比が選択されることがあり、この場合のリーン空燃比は、ＮＯ_X生成量が比較的少なくなるように設定される（例えば、約２０）。また、機関高負荷時には、理論空燃比よりリッチな空燃比（例えば、約１２．５）が選択されることがある。

このような機関運転状態により決定される所望燃焼空燃比を実現するための必要燃料量は、吸気ポート４にもう一つの燃料噴射弁６が設けられている場合には、吸気弁開弁中に両方の燃料噴射弁１及び６により噴射するようにしても良い。また、もう一つの燃料噴射弁６が必要燃料量の一部を噴射する場合のその噴射時期は、吸気弁開弁前としても良い。気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁１によれば、噴射燃料を確実に気筒内へ供給することができるが、多量の燃料を気筒内へ直接的に噴射すると、点火時期までの燃料の気化が不十分となることがあり、この場合には、もう一つの燃料噴射弁６により一部の燃料を吸気ポート４へ噴射することが好ましい。

このように、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁１だけしか設けられていない場合には、必要燃料量は燃料噴射弁１により全て噴射されることとなるが、吸気ポート４へ燃料を噴射するもう一つの燃料噴射弁６が設けられている場合には、必要に応じて必要燃料量の一部は、もう一つの燃料噴射弁６により噴射される。

ところで、こうして必要燃料量が気筒内へ供給されて圧縮行程初期となると、ピストン３は上昇を開始することとなるが、吸気充填効率を高めるために、この時には吸気弁７は依然として開弁しており、それにより、図１に矢印で示すように、気筒内の燃料が気筒内のガスと共に吸気ポート４内へ吹き返される。こうして吹き返された燃料が吸気弁７及び吸気ポート４の吸気弁近傍に付着してデポジットが生成されることがある。このように生成されたデポジットは、吸気抵抗を増加させて吸気充填効率を低下させることがあり、また、吸気弁７のシール性を低下させることがある。

本制御装置は、吸気弁７及び吸気ポート４の吸気弁近傍へのデポジットの生成を十分に抑制するための燃料噴射制御を図２及び図３に示す第一フローチャートに従って実施する。先ず、ステップ１０１において、吸気弁閉弁後の圧縮行程中の二つのクランク角度Ｃ１及びＣ２の筒内圧力Ｐ１及びＰ２を圧力センサ９により測定し、ステップ１０２において、それぞれのクランク角度Ｃ１及びＣ２の筒内容積Ｖ１及びＶ２を算出する。二つのクランク角度は、例えば、吸気弁閉弁直後Ｃ１と、点火時期直前Ｃ２とすることができる。

次いで、ステップ１０３において、ボイル・シャルルの法則に基づいて、二つのクランク角度Ｃ１及びＣ２における筒内ガス温度比Ｔ２／Ｔ１を次式（１）により算出する。
Ｔ２／Ｔ１＝（Ｐ２・Ｖ２）／（Ｐ１・Ｖ１）・・・（１）

次いで、ステップ１０４では、クランク角度Ｃ１における状態方程式に基づき、クランク角度Ｃ１における筒内ガス質量Ｍを次式（２）により算出する。
Ｍ＝（Ｐ１・Ｖ１）／（Ｒ・Ｔ１）・・・（２）
ここで、Ｒはガス定数であり、クランク角度Ｃ１の時の筒内ガス温度Ｔ１は、冷却水温センサ（図示せず）により測定されるクランク角度Ｃ１の時のシリンダボア近傍の冷却水温Ｔからこの時の筒内壁温ＴＷを予め定められた関数ｆ（Ｔ）により推定し、こうして推定された筒内壁温ＴＷと筒内ガス温度比Ｔ２／Ｔ１とに基づき図４及び図５に示すマップから決定することができる。

こうして筒内ガス質量Ｍが算出されれば、ステップ１０５において、機関吸気系に設けられたエアフローメータ（図示せず）により検出されたこの時の気筒内の新気量Ｍｎを筒内ガス重量Ｍから減算することにより、筒内に残留している排気ガス重量Ｍｅを算出する。このようにして算出された残留排気ガス重量Ｍｅは、前回のサイクルのものであるが、今回のサイクルでも同重量の排気ガスが排気弁閉弁時に筒内に残留するものとする。

次いで、ステップ１０６において、膨張行程の排気弁開弁直前の筒内排気ガス圧力Ｐ_EVOを圧力センサ９により測定し、この時の状態方程式により、排気弁開弁直前の筒内排気ガス温度Ｔ_EVOを次式（３）により算出する。
Ｔ_EVO＝（Ｐ_EVO・Ｖ_EVO）／｛（Ｍｎ＋Ｍｆ）・Ｒ｝・・・（３）
ここで、Ｖ_EVOは、排気弁開弁直前の筒内容積であり、Ｍｆは前回のサイクルにおいて気筒内へ供給された燃料重量である。

次いで、ステップ１０９において、排気行程中又はそれ以前において、今回のサイクルの吸入空気重量Ｍ_AIRをエアフローメータにより検出し、ステップ１１０において、吸気弁開弁時の吸気ポート内圧力Ｐ_INMを図６に示すマップから決定又は算出する。次いで、ステップ１１１において、筒内の排気ガスが断熱膨張したとして、吸気弁開弁時の筒内排気ガス温度Ｔ_EGRを排気弁閉弁時の残留排気ガス温度として次式（４）により算出する。
Ｔ_EGR＝Ｔ_EVO・（Ｐ_INM／Ｐ_EVO）^(k-1)/k ・・・（４）
ここで、ｋは排気ガスの比熱比である。

次いで、ステップ１１２において、今回の圧縮行程初期において、吸気ポートへ吹き返される筒内のガス温度Ｔ_INMを次式（５）により算出する。
Ｔ_INM＝（Ｍ_AIR・Ｔ_AIR＋Ｍ_EGR・Ｔ_EGR）／（Ｍ_AIR＋Ｍ_EGR）・・・（５）
ここで、Ｔ_AIRは、機関吸気系（例えば、吸気ポート４）に配置された温度センサ（図示せず）により測定された新気温度であり、式（５）は、温度Ｔ_AIRの新気重量Ｍ_AIRと温度Ｔ_EGRの残留排気ガス重量Ｍ_EGRとが混ざった時の温度を表している。

こうして圧縮行程初期において気筒内から吸気ポート４へ吹き返されるガス温度Ｔ_INMが算出されれば、この筒内ガス温度Ｔ_INMは、吸気ポート４の吸気弁近傍の温度に対応しており、この筒内ガス温度Ｔ_INMが高いほど、吸気ポート４の吸気弁近傍の温度が高くなり、吸気弁７及び吸気ポート４の吸気弁近傍へデポジットが生成され易くなる。それにより、ステップ１１３では、この筒内ガス温度Ｔ_INMを吸気ポート４の吸気弁近傍の温度として、この温度が高いほど、図７に示すマップに基づき、圧縮行程初期に吹き返される筒内ガスの最小限界空燃比ＡＦ_MINを大きく設定する。すなわち、筒内ガス温度Ｔ_INMが高いほど、吸気ポート４内へ吹き返される筒内ガスの空燃比がよりリッチ側とならないように最小限界空燃比ＡＦ_MINを設定する。

次いで、ステップ１１４においては、現在の機関運転状態に基づき所望燃焼空燃比ＡＦ_Tを設定し、ステップ１１５において、今回のサイクルの新気重量Ｍ_AIRに基づき次式（６）により必要燃料重量Ｍ_FUELを算出する。
Ｍ_FUEL＝Ｍ_AIR／ＡＦ_T ・・・（６）

次いで、ステップ１１６において、所望燃焼空燃比ＡＦ_Tがステップ１１３において算出された今回のサイクルにおいて吸気ポート４へ吹き返される筒内ガスの最小限界空燃比ＡＦ_MINより小さいか否かが判断され、この判断が否定される時、すなわち、所望燃焼空燃比が今回の最小限界空燃比以上である時には、燃料噴射弁１によって、又は、燃料噴射弁１及びもう一つの燃料噴射弁６によって予め定められた燃料噴射時期において必要燃料重量Ｍ_FUELが噴射され、圧縮行程初期に吸気ポート４へ吹き返される筒内ガスの空燃比は所望燃焼空燃比ＡＦ_Tとされる。

一方、ステップ１１６の判断が肯定される時、すなわち、所望燃焼空燃比が今回の最小限界空燃比より小さい時には、ステップ１１８において、今回のサイクルの新気重量Ｍ_AIRに基づき次式（７）により今回の最小限界空燃比を実現するための燃料重量Ｍ１を算出する。
Ｍ１＝Ｍ_AIR／ＡＦ_MIN ・・・（７）

次いで、ステップ１１９において、燃料噴射弁１によって、又は、燃料噴射弁１及びもう一つの燃料噴射弁６によって予め定められた燃料噴射時期において今回の最小限界空燃比ＡＦ_MINを実現するための燃料重量Ｍ１が噴射され、圧縮行程初期に吸気ポート４へ吹き返される筒内ガスの空燃比は最小限界空燃比ＡＦ_MINとされる。

ここで、必要燃料重量Ｍ_FUELを二つの燃料噴射弁１及び６によって予め定められた噴射重量割合で噴射するようになっている場合には、最小限界空燃比ＡＦ_MINを実現するための二つの燃料噴射弁による燃料重量Ｍ１の噴射においても、この噴射重量割合が維持される。また、吸気ポート４へ燃料を噴射する燃料噴射弁６の燃料噴射重量だけを減量して、二つの燃料噴射弁によって燃料重量Ｍ１が噴射されるようにしても良い。

こうして、いずれにしても、圧縮行程初期に吸気ポート４へ吹き返される筒内ガスの空燃比は最小限界空燃比ＡＦ_T以上とされるために、吸気弁７及び吸気ポート４の吸気弁近傍へのデポジットの生成を十分に抑制することができる。

圧縮行程初期の筒内ガスの空燃比が最小限界空燃比ＡＦ_MINとされた時には、ステップ１２０において、吸気弁閉弁後に燃料噴射弁１によって残りの燃料重量Ｍ２（＝Ｍ_FUEL−Ｍ１）を噴射し、点火時期までには所望燃焼空燃比ＡＦ_Tを実現するようになっている。こうして、筒内ガスの空燃比が最小限界空燃比ＡＦ_MINより小さな所望燃焼空燃比ＡＦ_Tとされても、吸気弁閉弁後であるために、吸気ポート４内へ吹き返されることはない。

ところで、ステップ１２０において、吸気弁閉弁後に気筒内へ燃料が噴射される場合には、特に、吸気弁閉弁時期が遅いアトキンソンサイクルエンジン等では、点火時期までに噴射燃料が十分に気化混合せずに、煤及び未燃燃料の排出量が増大してしまうことがある。

この問題を抑制するために、吸気ポート４にスワール制御弁（図示せず）が設けられている場合には、本制御装置は、この制御弁の開度を制御して吸気行程において適当なスワール（横旋回流）を気筒内に生成するようにする。スワール制御弁は、例えば、二つの吸気ポートの一方をスワールポートとし、他方をストレートポートとする場合において、ストレートポートに配置され、開度が小さくされてストレートポートを絞るほど、スワールポートから気筒内へ供給される吸気量が多くなって、気筒内に強いスワールを生成するものである。しかしながら、こうしてスワール制御弁の開度が小さくされるほど、ストレートポートは絞られてポンピング損失が大きくなるために、できる限りスワール制御弁の開度を大きくして必要最小限の強さのスワールしか気筒内に生成されないようにすることが好ましい。

スワール制御弁の開度制御は、図８に示す第二フローチャートに従って実施される。先ず、ステップ２０１において、吸気弁閉弁後の燃料噴射重量Ｍ２が存在するか否かが判断される。この判断が否定される時には、スワールは必要なく、ステップ２０２において、スワール制御弁の開度Ｄは１００％、すなわち、全開とされ、スワール制御弁の開度に伴うポンピング損失は発生させないようにされる。

一方、ステップ２０１の判断が否定される時には、吸気弁閉弁後の燃料噴射が実施されるために、この噴射燃料を十分に気化混合させるためのスワールが必要となる。それにより、ステップ２０３において、吸気弁閉弁後の燃料噴射重量Ｍ２に基づき、図９に示すような予め定められたマップにより吸気弁閉弁時の均質性指数Ｉ_IVCが決定される。均質性指数Ｉとは、現在において燃焼が実施されたとした時の煤排出量Ｍ_SOOTと未燃燃料排出量Ｍ_HCの合計の逆数であり、次式（８）で表される。
Ｉ＝１／（Ｍ_SOOT＋Ｍ_HC）・・・（８）

図９に示すマップは、特定の吸気弁閉弁時期に対するものであり、吸気弁閉弁後の燃料噴射重量Ｍ２が多くなるほど吸気弁閉弁時の均質性指数Ｉ_IVCは小さくなる傾向を示している。また、吸気弁閉弁時期が遅角されるほど吸気弁閉弁時においてスワールは減衰しているために燃料噴射重量Ｍ２に対する吸気弁閉弁時の均質性指数Ｉ_IVCは全体的に小さくなる傾向を示す。

次いで、ステップ２０４において、吸気弁閉弁時の均質性指数Ｉ_IVCを点火時期Ｃ_SAまでに要求均質性指数Ｉ_Tへ高めるための必要増加速度Ｖが次式（９）により算出される。
Ｖ＝（Ｉ_T−Ｉ_IVC）／（Ｃ_SA−Ｃ_IVC）・・・（９）
ここで、Ｃ_SAは点火時期のクランク角度であり、Ｃ_IVCは吸気弁閉弁時のクランク角度である。要求均質性指数Ｉ_Tは、１／（ＭＴ_SOOT＋ＭＴ_HC）で表される定数であり、ここで、ＭＴ_SOOTは許容煤排出量であり、ＭＴ_HCは許容未燃燃料排出量である。式（９）に示すように、必要増加速度Ｖは、吸気弁閉弁時の均質性指数Ｉ_IVCが小さいほど大きくなり、吸気弁閉弁時期から点火時期までのクランク角度が小さいほど大きくなる。

次いで、ステップ２０５において、必要増加速度Ｖに基づき図１０に示すマップによりスワール制御弁の開度Ｄを決定する。図１０に示すマップは、特定の機関運転状態に対するものであり、必要増加速度Ｖが大きいほどスワール制御弁の開度は小さくされて吸気ポートをより絞って気筒内に強いスワールが生成されるようになっている。また、機関運転状態が低回転低負荷側となるほど、新気量が少なくなるために、同じ必要増加速度Ｖに対して同じ強さのスワールを生成するには、スワール制御弁の開度は小さくされて吸気ポートをより絞るようにされる。

このようにスワール制御弁の開度を制御することにより、吸気弁閉弁後に気筒内へ燃料が噴射されても、必要最小限の強さのスワールを生成して煤及び未燃燃料の排出量を許容値とすることができる。本実施形態では、気筒内にスワールを生成する場合を説明したが、タンブル（縦旋回流）を気筒内に生成して点火時期において要求均質性指数を実現することも可能であり、この場合には、タンブル制御弁をスワール制御弁と同様な考え方に基づき制御すれば良い。

タンブル制御弁は、例えば、吸気ポートを上側ポート及び下側ポートに分割して、下側ポートに配置され、開度が小さくされて下側ポートを絞るほど、上側ポートから気筒内へ供給される吸気量が多くなって、気筒内に強いタンブルを生成するものである。しかしながら、スワール制御弁と同様に、開度が小さくされるほど、下側ポートは絞られてポンピング損失が大きくなるために、できる限りタンブル制御弁の開度を大きくして必要最小限の強さのタンブルしか気筒内に生成されないようにすることが好ましい。

ところで、第一フローチャートにおいて、所望燃焼空燃比ＡＦ_Tが筒内ガス温度に応じて設定された最小限界空燃比ＡＦ_MINより小さい時には、吸気弁閉弁前の筒内ガスの空燃比は、最小限界空燃比ＡＦ_MINとされ、吸気弁閉弁後に気筒内へ不足分の燃料重量Ｍ２（必要燃料重量の残り）が噴射されて所望燃焼空燃比ＡＦ_Tを実現するようにしている。このように、不足分の燃料Ｍ２を吸気弁閉弁後に気筒内へ噴射すれば、最小限界空燃比より小さな空燃比の筒内ガスが吸気ポートへ吹き返されることは絶対にない。

しかしながら、この不足分の燃料Ｍ２を吸気弁閉弁直前に気筒内へ噴射するようにしても良い。なぜなら、このように所望燃焼空燃比を実現するのに必要な燃料重量の残りＭ２を吸気弁閉弁直前に噴射しても、吸気弁閉弁までの短い時間では気筒内に分散せず、吸気弁閉弁までに吸気ポート内へ吹き返される気筒内の吸気ポート近傍に位置する筒内ガスの空燃比を最小限界空燃比より小さくすることは殆どないためである。

図１１は、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁１’が気筒中心軸線ＣＣに対する排気弁側への燃料噴射角度ＴＨ（気筒中心軸線ＣＣと燃料噴霧中心軸線ＦＣとの間の角度）を変化させることができる場合を示している。このような場合において、所望燃焼空燃比を実現するために必要な燃料重量の残りＭ２を吸気弁閉弁直前に気筒内へ噴射する際には、本制御装置は、図１２に示す第三フローチャートに従って吸気弁閉弁直前の燃料噴射（Ｍ２）の燃料噴射角度ＴＨ及び燃料噴射時期ＡＬの制御を実施する。

先ず、ステップ３０１において、評価関数ｆ_EVを燃料噴射時期ＡＬにより偏微分して、前回の燃料噴射時期ＡＬ_(i-1)と前回の燃料噴射角度ＴＨ_(i-1)とを代入した結果σｆ_EV／σＡＬが０より大きいか否かが判断される。評価関数ｆ_EVは、次式（１０）により表される。
ｆ_EV＝ａ１・Ｍ_SOOT＋ｂ１・Ｍ_HC＋ｃ１・Ｍ_P ・・・（１０）

ここで、ａ１及びｂ１及びｃ１は、予め定めた重み付け係数であり、Ｍ_SOOTは煤の排出量であり、Ｍ_HCは未燃燃料の排出量であり、Ｍ_Pは吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へのデポジットの生成量であり、それぞれ、燃料噴射時期ＡＬと燃料噴射角度ＴＨとの関数として、次式（１１）、（１２）、及び、（１３）によって表される。
Ｍ_SOOT＝ａ２・ｅｘｐ（−ｂ２・ＡＬ_(i)）＋ｃ２・・・（１１）
ｂ２＝ａ３・ｅｘｐ（ｂ３・ＴＨ_(i)）＋ｃ３
Ｍ_HC＝ａ４・ｅｘｐ（−ｂ４・ＡＬ_(i)）＋ｃ４・・・（１２）
ｂ４＝ａ５・ｅｘｐ（ｂ５・ＴＨ_(i)）＋ｃ５
Ｍ_P＝ａ６・ｅｘｐ（ｂ６・ＡＬ_(i)）＋ｃ６・・・（１３）
ｂ６＝ａ７・ｅｘｐ（−ｂ７・ＴＨ_(i)）＋ｃ７
ここで、ａ２からａ７及びｂ２からｂ７及びｃ２からｃ７は、内燃機関毎に定められた係数である。

図１３は、煤の排出量Ｍ_SOOT及び未燃燃料の排出量Ｍ_HCの傾向を示すグラフであり、吸気弁閉弁直前の燃料噴射における燃料噴射時期ＡＬが遅角されるほど、すなわち、吸気弁閉弁時期へ近づくほど、点火時期における混合気の均質性が悪くなるために、いずれも悪化傾向となる。また、吸気弁閉弁直前の燃料噴射における燃料噴射角度ＴＨが大きいほど、すなわち、排気弁側となるほど、点火時期における混合気の均質性が悪くなるために、いずれも全体的に悪化傾向となる。

図１４は、吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へのデポジットの生成量Ｍ_Pの傾向を示すグラフであり、吸気弁閉弁直前の燃料噴射における燃料噴射時期が進角されるほど、すなわち、吸気弁閉弁時期から遠ざかるほど、噴射燃料Ｍ２の一部が圧縮行程初期に吸気ポート内へ吹き返される可能性が高くなるために、悪化傾向となる。また、所望燃焼空燃比を実現するための必要燃料重量の残りＭ２を噴射するための噴射角度ＴＨが小さいほど、すなわち、燃料噴射方向が気筒中心軸線側となるほど、噴射燃料Ｍ２の一部が圧縮行程初期に吸気ポート内へ吹き返される可能性が高くなるために、悪化傾向となる。

こうして、前述の結果σｆ_EV／σＡＬが０より大きい時には、ステップ３０１の判断が肯定され、この時には、前回の燃料噴射時期ＡＬ_(i-1)は、評価関数を悪化傾向とするために遅角させ過ぎており、ステップ３０２において、今回の燃料噴射時期ＡＬ_(i)は、前回の燃料噴射時期ＡＬ_(i-1)より僅かなクランク角度ΔＡＬだけ進角される。

一方、ステップ３０１の判断が否定される時には、ステップ３０３において、前述の結果σｆ_EV／σＡＬが０より小さいか否かが判断される。この判断が肯定される時には、前回の燃料噴射時期ＡＬ_(i-1)は、評価関数を改善傾向とするために進角させ過ぎており、ステップ３０４において、今回の燃料噴射時期ＡＬ_(i)は、前回の燃料噴射時期ＡＬ_(i-1)より僅かなクランク角度ΔＡＬだけ遅角される。また、ステップ３０３の判断が否定される時には、前回の燃料噴射時期ＡＬ_(i-1)は、評価関数を悪化させない最も遅角側の最適な点火時期であり、ステップ３０４において、今回の燃料噴射時期ＡＬ_(i)は、前回の燃料噴射時期ＡＬ_(i-1)とされる。

次いで、ステップ３０６において、評価関数ｆ_EVを燃料噴射角度ＴＨにより偏微分して、前回の燃料噴射時期ＡＬ_(i-1)と前回の燃料噴射角度ＴＨ_(i-1)とを代入した結果σｆ_EV／σＴＨが０より大きいか否かが判断される。

この結果σｆ_EV／σＴＨが０より大きい時には、ステップ３０６の判断が肯定され、この時には、前回の燃料噴射角度ＴＨ_(i-1)は、評価関数を悪化傾向とするために排気弁側とさせ過ぎており、ステップ３０７において、今回の燃料噴射角度ＴＨ_(i)は、前回の燃料噴射角度ＴＨ_(i-1)より僅かな角度ΔＴＨだけ気筒中心軸線側とされる。

一方、ステップ３０６の判断が否定される時には、ステップ３０８において、前述の結果σｆ_EV／σＴＨが０より小さいか否かが判断される。この判断が肯定される時には、前回の燃料噴射角度ＴＨ_(i-1)は、評価関数を改善傾向とするために気筒中心軸線側とさせ過ぎており、ステップ３０９において、今回の燃料噴射角度ＴＨ_(i)は、前回の燃料噴射角度ＴＨ_(i-1)より僅かな角度ΔＴＨだけ排気弁側とされる。また、ステップ３０８の判断が否定される時には、前回の燃料噴射角度ＴＨ_(i-1)は、評価関数を悪化させない最も排気弁側の最適な燃料噴射角度であり、ステップ３１０において、今回の燃料噴射角度ＴＨ_(i)は、前回の燃料噴射角度ＴＨ_(i-1)とされる。

このような噴射時期及び噴射角度の制御によって、所望燃焼空燃比を実現するための必要燃料重量の残りＭ２を吸気弁閉弁前に噴射する場合において、煤及び未燃燃料の排出量が少なく吸気ポート内の煤の生成量の少ない最適な燃料噴射角度ＴＨ及び最適な燃料噴射時期ＡＬでの吸気弁閉弁前の燃料噴射（Ｍ２）を実現することができる。

前述の第一フローチャートにおいて、排気弁開弁直前の筒内の排気ガス圧力に基づき排気弁開弁直前の筒内の第一排気ガス温度を推定し、排気ガス圧力が吸気弁開弁時の吸気管圧力になったとして第一排気ガス温度から断熱変化する第二排気ガス温度を排気弁閉弁時の残留排気ガス温度として推定し、排気弁閉弁時の残留排気ガス重量及び第二排気ガス温度と気筒内へ供給される新気重量及び新気温度とに基づき、圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ吹き返される筒内ガス温度を推定するようになっており、気筒内壁近傍に配置された温度センサでは、気筒内壁温度の影響を受けるために正確に測定することの困難な筒内ガス温度を、筒内圧力センサを使用して測定される筒内の排気ガス圧力に基づき正確に推定することができる。

本発明による制御装置が取り付けられる筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略縦断面図である。本発明による制御装置により実施されるデポジット生成を抑制するための燃料噴射制御を示す第一フローチャートの一部である。図２の第一フローチャートの残り部分である。排気弁閉弁後における筒内ガス温度の比と筒内ガス温度との関係を示すグラフである。排気弁閉弁後における筒内壁温と筒内ガス温度の比との関係を示すグラフである。新気重量と吸気ポート内圧力との関係を示すマップである。吹き返される筒内ガス温度と最小限界空燃比との関係を示すマップである。本発明による制御装置により実施されるタンブル制御弁の開度制御を示す第二フローチャートである。吸気弁閉弁後に噴射される燃料重量と吸気弁閉弁時の均質性指数との関係を示すマップである。タンブル制御弁の開度と必要増加速度との関係を示すマップである。本発明による制御装置が取り付けられるもう一つの筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略縦断面図である。本発明による制御装置により実施される吸気弁閉弁直前の燃料噴射における燃料噴射角度及び燃料噴射時期の制御を示す第三フローチャートである。吸気弁閉弁直前の燃料噴射における燃料噴射時期と煤排出量及び未燃燃料排出量との関係を示すグラフである。吸気弁閉弁直前の燃料噴射における燃料噴射時期とデポジット生成量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１、１’ 燃料噴射弁
２点火プラグ
３ピストン
４吸気ポート
５排気ポート
６もう一つの燃料噴射弁
７吸気弁
８排気弁
９圧力センサ

Claims

圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ吹き返される筒内ガスの温度を、この時の吸気ポート内の吸気弁近傍の温度として推定し、推定された前記温度が高いほど、圧縮行程初期に吹き返される前記筒内ガスの最小限界空燃比を大きく設定し、燃料噴射制御として、所望燃焼空燃比が前記最小限界空燃比以上である時には、前記筒内ガスの空燃比を前記所望燃焼空燃比とし、前記所望燃焼空燃比が前記最小限界空燃比より小さい時には前記筒内ガスの空燃比を前記最小限界空燃比とし、前記所望燃焼空燃比を実現するのに必要な残りの燃料を吸気弁閉弁後に気筒内へ噴射することを特徴とする内燃機関の制御装置。
吸気通路に設けられたスワール又はタンブルの制御弁の開度制御として、前記所望燃焼空燃比を実現するために吸気弁閉弁後に気筒内へ燃料を噴射する場合において、煤及び未燃燃料の排出量の合計を許容値以下とする混合気の均質性が点火時期において実現されるように、前記制御弁の開度を制御す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。
圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ吹き返される筒内ガスの温度を、この時の吸気ポート内の吸気弁近傍の温度として推定し、推定された前記温度が高いほど、圧縮行程初期に吹き返される前記筒内ガスの最小限界空燃比を大きく設定し、燃料噴射制御として、所望燃焼空燃比が前記最小限界空燃比以上である時には、前記筒内ガスの空燃比を前記所望燃焼空燃比とし、前記所望燃焼空燃比が前記最小限界空燃比より小さい時には前記筒内ガスの空燃比を前記最小限界空燃比とし、前記所望燃焼空燃比を実現するのに必要な残りの燃料を吸気弁閉弁直前に気筒内へ噴射することを特徴とする内燃機関の制御装置。
気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁の気筒中心軸線に対する排気弁側への燃料噴射角度を変化させる噴射角度制御及び燃料噴射時期を変化させる噴射時期制御として、前記所望燃焼空燃比を実現するために吸気弁閉弁直前に気筒内へ燃料を噴射する場合において、吸気弁閉弁直前の燃料噴射に際して前記燃料噴射角度と前記燃料噴射時期とを変化させた時の煤及び未燃燃料の排出量と吸気弁及び吸気ポートの吸気弁近傍へのデポジットの生成量とを評価する評価関数を設定して、前記評価関数を最良とするように前記燃料噴射角度と前記燃料噴射時期とを制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
排気弁開弁直前の筒内の排気ガス圧力に基づき排気弁開弁直前の筒内の第一排気ガス温度を推定し、前記排気ガス圧力が吸気弁開弁時の吸気管圧力になったとして前記第一排気ガス温度から断熱変化する第二排気ガス温度を排気弁閉弁時の残留排気ガス温度として推定し、吸気弁閉弁時の残留排気ガス重量及び前記第二排気ガス温度と気筒内へ供給される新気重量及び新気温度とに基づき、圧縮行程初期に気筒内から吸気ポート内へ吹き返される前記筒内ガス温度を推定することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。