JP2015052290A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、混合気の燃料濃度が低い条件で行われるリーンバーン運転における混合気の着火性向上に資する内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】燃焼室１４の上壁面の中央部付近に配置され混合気に点火するための点火プラグ３２を備える。リーンバーン運転時に筒内にタンブル流が生成される内燃機関１０において、点火時の点火プラグ３２の周囲におけるガスの流れ方向が圧縮行程後半において吸気弁側から排気弁側に向かう方向となる第１タンブル形状（通常のタンブル形状）と、当該ガスの流れ方向が圧縮行程後半において吸気弁側から排気弁側に向かう方向から排気弁側から吸気弁側に向かう方向に反転する第２タンブル形状（ωタンブル形状）との間で、エンジン回転速度に応じてタンブル流の形状が変化するようにＴＣＶ２４を用いてタンブル流を制御する。【選択図】図９

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、火花点火式の内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、筒内にタンブル流を生じさせるタンブル流コントロールバルブを備える内燃機関の制御装置が開示されている。この従来の制御装置では、スロットルバルブよりも上流側に設けられた第１エアフローメータの検出値と、タンブルコントロールバルブの直下に設けられた第２エアフローメータの検出値とに基づいて、推定タンブル比が算出される。そして、算出された推定タンブル比が目標タンブル比に追従するようにタンブルコントロールバルブの開度のフィードバック制御が行われる。目標タンブル比は、失火や燃焼不安定を回避するための許容制御範囲内に設定される。

特開２０１２−０２１５０１号公報 特開２００５−１７１８１５号公報 特開２００８−３０３７９８号公報 特開２０１２−２４６８９６号公報 特開２００９−０４１３９７号公報

タンブル比（タンブル流の流速／エンジン回転速度）を一定範囲内に制御したとしても、エンジン回転速度が変化すると、タンブル流の流速が変化することになる。理論空燃比よりも高い空燃比での運転時もしくはＥＧＲガスを多く含んだ空気を燃焼させるＥＧＲ運転時のように、混合気の燃料濃度が低い条件で行われるリーンバーン運転では、点火時における点火プラグの周囲のガス流速が高過ぎても低過ぎても安定した着火が得にくくなる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、混合気の燃料濃度が低い条件で行われるリーンバーン運転における混合気の着火性向上に資する内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、燃焼室の上壁面の中央部付近に配置され混合気に点火するための点火プラグを備え、リーンバーン運転時に筒内にタンブル流が生成される内燃機関の制御装置であって、
点火時の前記点火プラグの周囲におけるガスの流れ方向が圧縮行程後半において吸気弁側から排気弁側に向かう方向である第１タンブル形状と、筒内ガスが圧縮行程において圧縮されていく過程で、前記燃焼室を上方から見て回転方向が互いに逆となる２つのスワール流成分を有するタンブル流に変化することで、前記ガスの流れ方向が圧縮行程後半において前記吸気弁側から前記排気弁側に向かう方向から前記排気弁側から前記吸気弁側に向かう方向に反転する第２タンブル形状との間で、エンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変化させるタンブル流制御手段を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記タンブル流制御手段は、前記第１タンブル形状と前記第２タンブル形状との間でエンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変化させることによって、点火時の前記点火プラグの周囲のガス流速を所定の流速範囲内に制御することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記タンブル流制御手段は、第１エンジン回転速度領域ではタンブル流の形状を前記第１タンブル形状に変更し、前記第１エンジン回転速度領域よりも高い第２エンジン回転速度領域ではタンブル流の形状を前記第２タンブル形状に変更することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１〜第３の発明の何れか１つにおいて、
前記タンブル流制御手段は、圧縮行程後半での吸排気方向におけるシリンダボア中心断面付近におけるタンブル流の渦中心の前記燃焼室の容積中心に対する偏りを大きくすることによってタンブル流の形状を前記第２タンブル形状に変更することを特徴とする。

また、第５の発明は、第１〜第４の発明の何れか１つにおいて、
前記タンブル流制御手段は、吸気行程において前記燃焼室内に流入する吸気の流量のうちで吸気ポートから前記燃焼室の中央部に向かう吸気の流量の割合を増加させることによってタンブル流の形状を前記第２タンブル形状に変更することを特徴とする。

また、第６の発明は、第５の発明において、
前記吸気弁のリフト量を可変とする吸気可変動弁装置を更に備え、
前記タンブル流制御手段は、前記燃焼室の中央側の部位を除いて前記吸気ポートの出口を取り囲むように前記燃焼室の壁面に形成された凸部を含み、
前記タンブル流制御手段は、エンジン回転速度が高い場合にはエンジン回転速度が低い場合と比べて前記吸気弁のリフト量が小さくなるように前記吸気可変動弁装置を制御することを特徴とする。

また、第７の発明は、第５の発明において、
前記吸気弁のリフト量を可変とする吸気可変動弁装置を更に備え、
前記タンブル流制御手段は、前記燃焼室の中央側の部位において前記吸気ポートの出口を取り囲むように前記燃焼室の壁面に形成された凸部を含み、
前記タンブル流制御手段は、エンジン回転速度が高い場合にはエンジン回転速度が低い場合と比べて前記吸気弁のリフト量が大きくなるように前記吸気可変動弁装置を制御することを特徴とする。

また、第８の発明は、第１〜第４の発明の何れか１つにおいて、
前記第２タンブル形状は、前記ガスの流れ方向の反転時期が前記点火プラグの点火時期よりも後となるものであり、
前記吸気弁のリフト量が最大となるバルブリフト最大期間を可変とする吸気可変動弁装置を更に備え、
前記タンブル流制御手段は、エンジン回転速度が高い場合にはエンジン回転速度が低い場合と比べて前記バルブリフト最大期間が短くなるように前記吸気可変動弁装置を制御することを特徴とする。

第２タンブル形状のタンブル流が生成される場合には、第１タンブル形状のタンブル流が生成される場合よりも早いタイミングから、圧縮行程において点火プラグの周囲でのガス流速が低下し始め、やがては、ガス流れの方向が反転する。第１の発明によれば、圧縮行程後半において点火プラグの周囲でのガス流れ方向の反転のない第１タンブル形状と当該ガス流れ方向の反転のある第２タンブル形状との間でエンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変化させることにより、点火時の点火プラグの周囲のガス流速を制御できるようになる。これにより、混合気の燃料濃度が低い条件で行われるリーンバーン運転における混合気の着火性向上に資する内燃機関の制御装置を提供することが可能となる。

第２の発明によれば、エンジン回転速度に依らずに、点火時における点火プラグの周囲のガス流速を着火に適した範囲内に制御することができる。

筒内に流入するガスの流速は、エンジン回転速度に比例する。したがって、点火時の点火プラグの周囲のガス流速に対して何らの制御を行わない場合には、当該ガス流速は、エンジン回転速度に比例して単調に増加してしまう。第３の発明によれば、第１エンジン回転速度領域では第１タンブル形状を選択して第２タンブル形状の流れの生成を抑制することで、点火時の点火プラグの周囲のガス流速の低下を抑えることができ、一方、高回転側の第２エンジン回転速度領域では第２タンブル形状を選択することで、点火時の点火プラグの周囲のガス流速の上昇を抑えることができる。

第４の発明によれば、圧縮行程後半での吸排気方向におけるシリンダボア中心断面付近におけるタンブル流の渦中心の前記燃焼室の容積中心に対する偏りを大きくすることによって、第２タンブル形状のタンブル流を生成することができる。

第５の発明によれば、吸気行程において燃焼室内に流入する吸気の流量のうちで吸気ポートから燃焼室の中央部に向かう吸気の流量の割合を増加させることによって、第２タンブル形状のタンブル流を生成することができる。

第６の発明によれば、吸気弁のリフト量が小さい場合にはそれが大きい場合と比べて、凸部の影響によって吸気が燃焼室の中央方向に流れ易くなる。その結果、第２タンブル形状のタンブル流が生成され易くなる。このため、本発明によれば、エンジン回転速度が低い場合には第２タンブル形状のタンブル流の生成を抑制することで、点火時の点火プラグの周囲のガス流速の低下を抑えることができ、一方、エンジン回転速度が高い場合には第２タンブル形状のタンブル流の生成によって、点火時の点火プラグの周囲のガス流速の上昇を抑えることができる。その結果、エンジン回転速度に依らずに、点火時における点火プラグの周囲のガス流速を着火に適した範囲内に制御することができる。

第７の発明によれば、吸気弁のリフト量が大きい場合にはそれが小さい場合と比べて、凸部の影響によって吸気が燃焼室の中央方向に流れ易くなる。その結果、第２タンブル形状のタンブル流が生成され易くなる。このため、本発明によれば、エンジン回転速度が低い場合には第２タンブル形状のタンブル流の生成を抑制することで、点火時の点火プラグの周囲のガス流速の低下を抑えることができ、一方、エンジン回転速度が高い場合には第２タンブル形状のタンブル流の生成によって、点火時の点火プラグの周囲のガス流速の上昇を抑えることができる。その結果、エンジン回転速度に依らずに、点火時における点火プラグの周囲のガス流速を着火に適した範囲内に制御することができる。

吸気弁のバルブリフト最大期間を長くした場合には、吸気が塊状にならずに分散して筒内に流入し易くなり、一方、バルブリフト最大期間を短くした場合には、吸気が塊状となって集中して筒内に流入し易くなる。吸気が塊状となって集中して筒内に流入した場合には、第２タンブル形状のタンブル流が生成し易くなる。第８の発明によれば、バルブリフト最大期間が相対的に長く制御されるエンジン回転速度が低い場合には第２タンブル形状のタンブル流の生成を抑制することで、点火時の点火プラグの周囲のガス流速の低下を抑えることができ、一方、バルブリフト最大期間が相対的に短く制御されるエンジン回転速度が高い場合には第２タンブル形状のタンブル流の生成によって、点火時の点火プラグの周囲のガス流速の上昇を抑えることができる。その結果、エンジン回転速度に依らずに、点火時における点火プラグの周囲のガス流速を着火に適した範囲内に制御することができる。

本発明の実施の形態１の内燃機関のシステム構成を説明するための模式図である。 混合気の着火遅れと点火プラグの周囲のガス流速と混合気の燃料濃度との関係を表した図である。 放電切れが発生したケースにおける放電期間中の放電火花の挙動を時系列で表した図である。 通常のタンブル形状の特徴を説明するための図である。 ωタンブル形状の特徴を説明するための図である。 ωタンブル形状のタンブル流が生成された際の圧縮上死点後半における筒内のガス流速の変化を表した図である。 ωタンブル形状のタンブル流の生成に適した条件を説明するための図である。 通常のタンブル形状とωタンブル形状とに関して、圧縮上死点後半におけるプラグ近傍流速の変化を比較して説明するための図である。 本発明の実施の形態１における点火時のプラグ近傍流速の特徴的な制御を説明するための図である。 ＴＣＶによるタンブル比の調整によってωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することで点火時のプラグ近傍流速を制御する手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において、ＴＣＶによるタンブル比の変更によってωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することで点火時のプラグ近傍流速を制御する手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３の内燃機関のシステム構成を説明するための模式図である。 図１４に示す吸気可変動弁装置によって変更される吸気弁のバルブリフト特性を説明するための図である。 図１５に示すバルブリフト特性の切り替えに伴う筒内のガス流動の変化を説明するための図である。 吸気可変動弁装置によるバルブリフト最大期間の切り替えによってωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することで点火時のプラグ近傍流速を制御する手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態４の内燃機関のシステム構成を説明するための模式図である。 図１９に示すバルブマスクの詳細な構成を説明するための図である。 図２０中に示すＡ−Ａ線で吸気ポート周りの構成を切断した断面図である。 バルブマスクと吸気可変動弁装置による吸気弁のリフト量の変更とによってωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することで点火時のプラグ近傍流速を制御する手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態５の内燃機関が備えるバルブマスクの詳細な構成を説明するための模式図である。 図２４中に示すＢ−Ｂ線で吸気ポート周りの構成を切断した断面図である。 バルブマスクと吸気可変動弁装置による吸気弁のリフト量の変更とによってωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することで点火時のプラグ近傍流速を制御する手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態５において実行されるルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
（システム構成の説明）
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関１０のシステム構成を説明するための模式図である。本実施形態のシステムは、火花点火式の内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の各気筒内には、ピストン１２が設けられている。筒内におけるピストン１２の頂部側には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。

吸気通路１６の入口近傍には、吸気通路１６に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２０が設けられている。エアフローメータ２０の下流には、電子制御式のスロットルバルブ２２が設けられている。各気筒に向けて分岐した後の吸気通路１６には、電子制御式のタンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）２４が設けられている。ＴＣＶ２４は、吸気ポート１６ａ内の吸気の流れに偏りを生じさせることにより、筒内にタンブル流（縦渦流）を生成させるものである。すなわち、ＴＣＶ２４は、筒内のガス流動に影響を及ぼすアクチュエータである。このＴＣＶ２４の開度を変更することにより、タンブル流のタンブル比（タンブル流の角速度／エンジン回転速度）を調整することができる。

吸気通路１６の吸気ポート１６ａには、当該吸気ポート１６ａを開閉する吸気弁２６が設けられており、排気通路１８の排気ポート１８ａには、当該排気ポート１８ａを開閉する排気弁２８が設けられている。内燃機関１０の各気筒内には、筒内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁３０が設けられている。各気筒内には、更に、混合気に点火するための点火装置（図示省略）の点火プラグ３２が設けられている。より具体的には、点火プラグ３２は、燃焼室１４の上壁面（すなわち、シリンダヘッド側の壁面）の中央部付近に配置されている。また、後述の図６等に示すように、各気筒内には、吸気弁２６が隣り合うように２つ備えられており、排気弁２８は、吸気弁２６の反対側において（すなわち、点火プラグ３２を間に介して）隣り合うように２つ備えられている。

内燃機関１０は、吸気通路１６と排気通路１８とを接続するＥＧＲ通路３４を備えている。ＥＧＲ通路３４の途中には、ＥＧＲ通路３４を通って吸気通路１６に還流されるＥＧＲガス（外部ＥＧＲガス）の量を調整するためのＥＧＲバルブ３６が配置されている。このＥＧＲバルブ３６の開度を変えることにより、ＥＧＲ通路３４を流れる排気ガス（ＥＧＲガス）の流量を変化させて、ＥＧＲ率を調整することができる。また、排気通路１８には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ３８が配置されている。

更に、図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力部には、上述したエアフローメータ２０および空燃比センサ３８に加え、エンジン回転速度を検出するためのクランク角センサ４２等の内燃機関１０の運転状態を検知するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ４０の出力部には、上述したスロットルバルブ２２、ＴＣＶ２４、燃料噴射弁３０、点火プラグ３２およびＥＧＲバルブ３６等の内燃機関１０の運転を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、上述した各種センサと所定のプログラムとに従って各種アクチュエータを作動させることにより、燃料噴射制御および点火制御などの所定のエンジン制御とともに、後述するタンブル流の制御を行うものである。

（リーンバーン運転における点火時の点火プラグ周囲のガス流速の制御の必要性）
図２は、混合気の着火遅れと点火プラグ３２の周囲のガス流速と混合気の燃料濃度との関係を表した図である。
内燃機関１０の運転領域は、混合気の燃料濃度が低い（空気（ＥＧＲガスの導入時にはＥＧＲガスを含む）に対する燃料の割合が小さい）条件で行われるリーンバーン運転領域を含んでいる。このように、本明細書中において混合気の燃料濃度の高低を説明する際には、空気だけでなくＥＧＲガスの存在も想定されている。上記リーンバーン運転は、より詳細に説明すると、ＥＧＲ率がゼロ、かつ理論空燃比で運転される基準条件と比べて空気量もしくはＥＧＲガス量が多いことで、混合気の燃料濃度が上記基準条件と比べて低い条件で行われるものであるといえる。また、言い換えれば、上記リーンバーン運転は、混合気の燃料濃度が所定値以下となる条件（混合気の着火性の悪化（着火遅れ）が懸念される条件）で行われるものであるといえる。尚、リーンバーン運転領域は、エンジン回転速度とエンジン負荷とで特定される。

したがって、本明細書でいうリーンバーン運転には、理論空燃比よりも高い空燃比下で行われる運転（すなわち、燃料量に対して空気量の割合を高めることで燃料濃度を希薄化させて行われる運転）だけでなく、多量のＥＧＲガスの導入による高ＥＧＲ率下で行われる運転（すなわち、燃料量に対してＥＧＲガス量の割合を高めることで燃料濃度を希薄化させて行われる運転）が含まれる。このような高ＥＧＲ率下での運転には、空燃比としては理論空燃比近傍で行われる運転も含まれ得る。

高熱効率を達成する上記リーンバーン運転においては、筒内の混合気の燃料濃度のリーン化を進めて内燃機関１０から排出されるＮＯｘを低減することが重要である。しかしながら、リーンバーン運転時（特に、本実施形態の内燃機関１０がそうであるように筒内全体にリーン混合気を均質に形成して行う均質リーンバーン燃焼時）には、燃料濃度の過度なリーン化は、燃焼を不安定にさせる要因となる。

図２に示すように、リーンバーン運転時には、混合気の着火遅れは、燃料濃度がリーンになるにつれて長くなる。着火遅れが長くなると、内燃機関１０のトルク変動が大きくなる。また、着火遅れは、点火時（点火プラグ３２の放電期間中）の点火プラグ３２の周囲のガス流速（以下、「プラグ近傍流速」と称する）に応じて変化する。したがって、トルク変動が許容レベルとなる範囲内に着火遅れを収めて安定した燃焼が得られるようにするためには、点火時のプラグ近傍流速を一定範囲内に収めることが必要となる。そのためのプラグ近傍流速の所定の流速範囲は、図２に示すように、燃料濃度が希薄になるにつれて狭くなる。

着火遅れとプラグ近傍流速との間には、ある流速値（最適値）に対して高流速側および低流速側に向かうにつれて着火遅れが長くなるという関係がある。次に、図３を参照して、高流速側と低流速側で着火遅れが長くなる理由について説明する。図３は、放電切れが発生したケースにおける放電期間中の放電火花の挙動を時系列で表した図である。

図３（Ａ）に示すように放電が開始された後には、点火プラグ３２の周囲のガス流れによって、プラグギャップに生じた電気火花が図３（Ｂ），３（Ｃ）に示すように流される。これにより、放電経路長が長くなる。放電が生ずると、放電火花の経路上の気体がイオン化することで電気抵抗が小さくなる。しかしながら、プラグ近傍流速が高いために放電経路が長くなりすぎると、プラグギャップの最短距離での電気抵抗値よりも放電経路上の電気抵抗値が大きくなり、図３（Ｄ）に示すように放電切れが発生する。放電切れが発生した場合には、図３（Ｅ）に示すようにプラグギャップの最短距離にて再放電が直ちに行われる。

先ず、高流速側で着火性能が悪化する理由について説明する。希薄限界近傍の燃料濃度下では、混合気が着火に至る（化学反応が開始する）までに一定の時間が必要となる。プラグ近傍流速が高くなると、放電切れに至るまでの時間が短くなるため、ある位置での同一の混合気を電気火花によって加熱して着火に至らせるまでの時間が不十分となる。その結果、着火性能が悪化する。

次に、低流速側で着火性能が悪化する理由について説明する。放電による電気火花の単位長さ当たりのエネルギーは、点火コイルの特性によって定まり、放電の経路長の如何に関係なく一定である。このため、気流等によって放電経路が長くなると、混合気全体への供給エネルギーが増加するとともに、加熱される混合気の体積も増加する。しかしながら、プラグ近傍流速が低くなると、放電経路が延長しにくくなるため、供給エネルギーおよび混合気体積の増加が得られなくなる。その結果、着火性能が悪化する。

上述したように、トルク変動が許容レベルとなる範囲内に着火遅れを収めて安定した燃焼が得られるようにするためには、点火時のプラグ近傍流速を一定範囲内に収めることが必要となる。しかしながら、筒内に流入するガスの流速は、エンジン回転速度に比例する。したがって、プラグ近傍流速に対して何らの制御を行わない場合には、プラグ近傍流速は、後述する図９中に破線で示すようにエンジン回転速度に比例して単調に増加する。そこで、本実施形態では、筒内に生成するタンブル流の形状の変更を利用して、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速を制御する。より具体的には、通常のタンブル形状（第１タンブル形状）と以下のように定義するωタンブル形状（第２タンブル形状）との間でタンブル流の形状が変更される。

（ωタンブル形状のタンブル流の生成メカニズム）
図４は、通常のタンブル形状の特徴を説明するための図であり、図５は、ωタンブル形状の特徴を説明するための図である。より具体的には、図４（Ａ）および図５（Ａ）は、燃焼室１４を上方から見下ろした平面図であり、図４（Ｂ）および図５（Ｂ）は、燃焼室１４を吸気側から見た側面図であり、図４（Ｃ）および図５（Ｃ）は、燃焼室１４を上方から見て通常のタンブル形状およびωタンブル形状のタンブル流の流れ方向をそれぞれ表した図である。図４および図５は、圧縮行程における圧縮上死点近傍のタイミングでのものである。

筒内に生成されるタンブル流の基本的な回転方向は、図１では時計回りとなり、すなわち、吸気ポート１６ａから筒内に流入したガスが、燃焼室１４の頂面、排気弁２８側の筒内壁面、ピストン１２の頂面、吸気弁２６側の筒内壁面、および燃焼室１４の頂面という順でこれらの部位に向かって流れる方向である。尚、以下に登場するタンブル中心軸とは、図４（Ａ）中に付した矢視Ａの方向から見た燃焼室１４の各断面におけるタンブル流の渦中心点を繋げて得られるものである。また、図４および図５中の白丸印は、点火プラグ３２が設置されたシリンダボア中心での断面（吸排気方向における断面）におけるタンブル流の渦中心点を示し、同図中の黒丸印は、吸気弁２６および排気弁２８の軸中心での断面におけるタンブル流の渦中心点を示している。

通常のタンブル形状のタンブル中心軸は、図４（Ａ），４（Ｂ）に示すように、シリンダに対して水平で曲がりのない軸である。このため、通常のタンブル形状での流れは、圧縮行程の後半においても、図４（Ｃ）に示すように、吸気側から排気側に向かう一様な流れとなる。これに対し、ωタンブル形状のタンブル中心軸は、図５（Ａ），５（Ｂ）に示すように、シリンダボア中心（点火プラグ位置）でのタンブル流の渦中心を屈曲点として屈曲した軸となる。より具体的には、ωタンブル形状では、図５（Ｂ）に示すようにシリンダボア中央での断面のタンブル流の渦中心位置（白丸印）がその周囲の渦中心位置に対して高くなる（より具体的には、圧縮上死点近傍において、シリンダボア中央での断面のタンブル流の渦中心位置に、燃焼室１４の容積中心に対して水平より上方向への偏りが発生する）。（以下、このような態様での偏りを、単に「タンブル流の渦中心の偏り」と称する）。このため、このような場合には、本来は筒内で１つの剛体渦となるべきタンブル流が、筒内ガスが圧縮行程において圧縮されていく過程で、タンブル中心軸の屈曲によって２つの中心軸を有するタンブル流（燃焼室１４を上方から見て回転方向が互いに逆となる２つのスワール流（横渦流）成分を有するタンブル流）に変化していく。その結果、ωタンブル形状では、図５（Ｃ）に示すように、圧縮上死点近傍において、燃焼室１４を上方から見てω形状の流れとなる。このようなω形状の流れが生成されることにより、圧縮行程における圧縮上死点近傍にて、点火プラグ３２の周囲のガスの流れ方向が反転することとなる。

更に付け加えると、吸気行程においては、通常のタンブル形状とωタンブル形状のどちらであっても、タンブル中心軸に屈曲が生ずる。このタンブル中心軸の屈曲が圧縮上死点付近まで残るケースでは、ωタンブル形状が得られ、タンブル中心軸の屈曲が圧縮行程中に消滅するケースでは、通常のタンブル形状が得られる。

図６は、ωタンブル形状のタンブル流が生成された際の圧縮上死点後半における筒内のガス流速の変化を表した図である。より具体的には、図６（Ａ）は測定点Ａ（プラグギャップ位置）におけるガス流速の変化を示し、図６（Ｂ）は測定点Ａに対してシリンダボアの径方向外側の所定位置におけるガス流速の変化を示し、図６（Ｃ）は測定点Ａに対して更にシリンダボアの径方向外側の所定位置におけるガス流速の変化を示している。尚、図６においては、吸気弁側から排気弁側に向かう流れの流速を正とする。これは、後述する図８も同様である。

図６（Ａ）に示すように、ωタンブル形状のタンブル流が生成された場合には、圧縮上死点近傍において、プラグギャップ位置における筒内ガスの流れ方向が反転し、すなわち、吸気弁側から排気弁側に向かう流れから排気弁側から吸気弁側に向かう流れに変化する。この筒内ガスの流れ方向の変化は、図６中の各図を比較して分かるように、プラグギャップ位置から離れるにつれて弱くなる。尚、図６に示すケースでは、測定点Ｃでは流れ方向の反転が生じなくなっている。

以上説明したように、圧縮行程の後半においてタンブル中心軸が屈曲し、タンブル流の渦中心に偏りが発生した場合には、ωタンブル形状が得られ、圧縮上死点近傍において、シリンダボア中心位置（プラグギャップ位置）での筒内ガスの流れ方向に反転が生ずることとなる。したがって、通常のタンブル形状（第１タンブル形状）は、（後述の図８に示すように）元々吸気弁側から排気弁側に向かう方向の流れであった点火プラグ３２の周囲のガスの流速が圧縮上死点に近づくにつれてゼロに収束するものであり、一方、ωタンブル形状（第２タンブル形状）は、圧縮上死点の後半において点火プラグ３２の周囲のガスの流れ方向がプラグ近傍流速の低下に伴って吸気弁側から排気弁側に向かう方向から排気弁側から吸気弁側に向かう方向に反転するものであるといえる。

図７は、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適した条件を説明するための図である。
図７（Ａ）は、吸気行程の中期での筒内のガス流れの様子を表している。ピストン１２の速度は、吸気行程の中期において最大となり、また、一般に吸気弁２６のバルブリフト量はこのようなタイミングで最も大きくなるように設定される。このため、図７（Ａ）中に矢印で示すように流量の多い吸気の塊Ｍが、吸気行程の中期において筒内に流入し、吸気弁２６の近傍に存在する。

図７（Ｂ）は、圧縮行程の中期にある時、すなわち、図７（Ａ）に示すタイミングからピストン１２が１ストロークした時の筒内のガス流れの様子を表している。尚、図７（Ｂ）中に示すタンブル中心点は、吸気の塊Ｍを主とする流れの渦中心（燃焼室１４の容積中心に対する偏りが発生している状態）を指している。

図７に示すケースでは、図７（Ｂ）に示すように、図７（Ａ）に示した吸気の塊Ｍが、ピストン１２が１ストロークする間に筒内で２７０°程度回転し、吸気側に位置している。このようなケースでは、そもそも吸気の塊Ｍが存在していることによって、圧縮行程後半における燃焼室１４の容積中心に対するタンブル流の渦中心の偏りが加速される。そのうえで、このケースでは、ピストン１２の速度が最大となる圧縮行程の中期において吸気の塊Ｍが吸気側に位置していることで、ピストン１２の上昇によって、塊Ｍの流れが更に加速される。その結果、その後の圧縮行程におけるタンブル流の渦中心の偏りが促進される。

上記のケースとは逆に、圧縮行程の中期において吸気の塊が排気側に位置していると、ピストン１２の上昇は、その塊状の流れの勢いを打ち消すように作用し、一方、このタイミングにおいて吸気側に位置している塊状でない流れがピストン１２の上昇によって少し加速するようになる。その結果、タンブル流の渦中心は、図７に示すケースとは逆に、燃焼室１４の容積中心に近づいていき、タンブル中心軸の屈曲が解消されていく。

以上の内容から、圧縮行程においてピストン１２の速度が最大となるタイミング（圧縮行程の中期）において流量の多い吸気の塊Ｍが吸気側に位置している条件において、タンブル流の渦中心の偏りが効果的に大きくなり、ωタンブル形状のタンブル流が効果的に生成されることが分かるといえる。したがって、あるタンブル比から、図７に示すように１ストローク中に筒内ガスが回転する際のタンブル比に向けてタンブル比を変更していくことで、タンブル流の渦中心の偏り度合いを高めてωタンブル形状の流れを強化していくことが可能となる。

（実施の形態１の制御の特徴部分）
図８は、通常のタンブル形状とωタンブル形状とに関して、圧縮上死点後半におけるプラグ近傍流速の変化を比較して説明するための図である。尚、図８は、ωタンブル形状のタンブル流の生成時における点火プラグ３２の周囲でのガス流れ方向の反転タイミングがリーンバーン運転時の点火時期の設定範囲よりも後になるケースを前提としている。本実施形態および後述の実施の形態２〜５における制御は、この前提に基づくものである。

図８に示すように、ωタンブル形状のタンブル流が生成された場合には、圧縮行程後半においてω形状の流れの生成が進むにつれ、通常のタンブル形状のタンブル流が生成される場合と比べてプラグ近傍流速が大きく低下していき、やがては点火プラグ３２の周囲のガスの流れ方向が反転する。このようなプラグ近傍流速の低下は、ωタンブル形状の流れが強いほど（タンブル流の渦中心の偏りが強いほど）顕著となる。したがって、通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状が変更されるようにタンブル流を制御することによって、点火時におけるプラグ近傍流速を制御することが可能となる。

図９は、本発明の実施の形態１における点火時のプラグ近傍流速の特徴的な制御を説明するための図である。
そこで、本実施形態では、リーンバーン運転領域において、点火時のプラグ近傍流速を所定の流速範囲（着火最適範囲）内に制御するために、エンジン回転速度に応じて通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させるようにした。より具体的には、図９に示すように、リーンバーン運転領域内の低エンジン回転速度側の第１エンジン回転速度領域Ｒ１では、ωタンブル形状の流れの生成を抑制して通常のタンブル形状のタンブル流が生成されるようにタンブル流を制御し、リーンバーン運転領域内の高エンジン回転速度側の第２エンジン回転速度領域Ｒ２では、ωタンブル形状のタンブル流が生成されるようにタンブル流を制御するようにした。

本実施形態のタンブル流の制御の対象となるリーンバーン運転領域は、リーンバーン運転を行うように事前に設定された領域であってもよいし、全運転領域中における当該領域の位置や当該領域が占める大きさが運転中に適宜変更される領域であってもよい。また、当該リーンバーン運転領域は、内燃機関１０においてリーンバーン運転が行われる運転領域の全域であってもよいし、もしくは、その中で最も高い空燃比（もしくは空燃比範囲）で運転されたり、最も高いＥＧＲ率（もしくはＥＧＲ率範囲）を使用して運転されたりすることによって最も着火性の確保が厳しい一部の領域であってもよい。

図９中に示す流速範囲は、図２および図３を参照して上述した、リーンバーン運転時における混合気の着火性に関する問題を回避することのできる最適な流速範囲（着火最適範囲）である。また、この着火最適範囲は、サイクル間での着火のばらつきを考慮したものである。破線で示すプラグ近傍流速−エンジン回転速度特性では、到底、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速を上記流速範囲内に収め切ることができない。これに対し、本実施形態の内燃機関１０では、エンジン回転速度の変化に応じてωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することで、リーンバーン運転領域において、点火時のプラグ近傍流速を上記流速範囲内に収められるようにすることが可能となる。

（実施の形態１における特徴的な制御の具体例）
図１０は、ＴＣＶ２４によるタンブル比の調整によってωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することで点火時のプラグ近傍流速を制御する手法を説明するための図である。

図１０に示す手法は、ＴＣＶ２４を用いたタンブル比の制御によって、タンブル流の形状を通常のタンブル形状とωタンブル形状との間で制御するというものである。エンジン回転速度に関係なく図１０中に示す第１ＴＣＶ開度でＴＣＶ開度を固定した場合には、エンジン回転速度の増加に伴うガス流速の増加によって、リーンバーン運転領域における高回転側の領域においてプラグ近傍流速が着火最適範囲から外れてしまい、また、同様に、第２ＴＣＶ開度で固定した場合には、低回転側の領域においてプラグ近傍流速が着火最適範囲から外れてしまう。

第１ＴＣＶ開度は、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適した範囲（図７に示す例のように１ストローク中に筒内ガスが回転する際のタンブル比を中心とする所定範囲）内のタンブル比よりも大きなタンブル比が得られる開度として設定されたものであるとする。このように設定された第１ＴＣＶ開度を用いることで、ωタンブル形状の流れの生成を抑制し、通常のタンブル形状のタンブル流を生成することができる。また、第２ＴＣＶ開度は、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適した上記範囲内のタンブル比が得られる開度として設定されたものであるとする。このように設定された第２ＴＣＶ開度を用いることで、タンブル流の渦中心に偏りを生じさせ、ωタンブル形状のタンブル流を生成することができる。更に付け加えると、第２ＴＣＶ開度は、第１エンジン回転速度ＮＥ１である時にプラグ近傍流速が着火最適範囲の下限を下回らないように設定されたＴＣＶ開度であるものとする。

図１０に示すケースでは、リーンバーン運転領域における低回転側の領域（第１エンジン回転速度領域Ｒ１）では、第１ＴＣＶ開度を用いることで、通常のタンブル形状のタンブル流を利用してプラグ近傍流速を着火最適範囲内に収めることができる。そこで、本実施形態では、第１ＴＣＶ開度でＴＣＶ開度を固定したままでは着火最適範囲の上限に達してしまう第１エンジン回転速度ＮＥ１よりも低いエンジン回転速度領域Ｒ１においてはＴＣＶ開度が第１ＴＣＶ開度に制御される。

一方、第１エンジン回転速度ＮＥ１以上となる高エンジン回転速度領域（第２エンジン回転速度領域Ｒ２）においてはＴＣＶ開度が第２ＴＣＶ開度に制御される。これにより、ωタンブル形状のタンブル流の生成によって、図１０（Ａ）に示すように、タンブル流形状が変更される第１エンジン回転速度ＮＥ１付近において、プラグ近傍流速を低下させることができる。このように、エンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変化させることにより、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速を着火最適範囲内に保持できるようになる。

また、図１０に示す手法では、第１エンジン回転速度ＮＥ１よりも高回転側の領域Ｒ２においてＴＣＶ開度を第２ＴＣＶ開度で固定するようにしているが、これに代え、当該高回転側の領域においてエンジン回転速度が高いほど、タンブル流の渦中心の偏り度合いの高いタンブル比が得られるようにＴＣＶ開度を調整してもよい。これにより、エンジン回転速度の上昇に伴ってωタンブル形状の流れがより強化されるので、図９に表したように、上記高回転側の領域におけるエンジン回転速度の変化に対するプラグ近傍流速の変化を緩やかにすることができる。

図１１は、本発明の実施の形態１における特徴的な制御を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、本ルーチンは、各気筒に対して内燃機関１０のサイクル毎に繰り返し実行されるものとする。

図１１に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、先ず、エアフローメータ２０およびクランク角センサ４２等の出力を利用して、内燃機関１０の現在の運転領域（エンジン回転速度とエンジン負荷）を決定（特定）する（ステップ１００）。次いで、ＥＣＵ４０は、現在の運転領域が混合気の燃料濃度の低いリーンバーン運転領域であるか否かを判定する（ステップ１０２）。

ステップ１０２においてリーンバーン運転領域であると判定した場合には、ＥＣＵ４０は、目標空燃比（Ａ／Ｆ）を決定する（ステップ１０４）。ＥＣＵ４０は、ＮＯｘ排出量の抑制の観点で運転領域に応じて目標空燃比を定めたマップ（図示省略）を記憶しており、本ステップ１０４では、そのようなマップを参照して目標空燃比が決定される。

次に、ＥＣＵ４０は、決定した目標空燃比に応じて点火プラグ３２に供給する点火エネルギーを決定する（ステップ１０６）。尚、点火エネルギーの調整は、例えば、点火プラグ３２のために複数の点火コイルを備えるようにしておき、必要に応じて放電に用いる点火コイルの数を変更することによって行うことができる。

次に、ＥＣＵ４０は、現在のエンジン回転速度ＮＥが第１エンジン回転速度ＮＥ１よりも低いか否かを判定する（ステップ１０８）。第１エンジン回転速度ＮＥ１は、上述したように、リーンバーン運転領域においてエンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変更する際の閾値である。

ステップ１０８の判定が成立する場合（ＮＥ＜ＮＥ１）には、ＥＣＵ４０は、第１ＴＣＶ開度を用いて流速制御値（目標ＴＣＶ開度）を決定するとともに、目標空燃比の下で要求トルクを実現するためのスロットル開度、燃料噴射量および点火時期のそれぞれの目標値を所定のマップ等に従って決定する（ステップ１１０）。一方、ステップ１０８の判定が不成立となる場合（ＮＥ≧ＮＥ１）には、ＥＣＵ４０は、第２ＴＣＶ開度を用いて流速制御値（目標ＴＣＶ開度）を決定するとともに、目標空燃比の下で要求トルクを実現するためのスロットル開度、燃料噴射量および点火時期のそれぞれの目標値を所定のマップ等に従って決定する（ステップ１１２）。次いで、ＥＣＵ４０は、決定された各種目標値に従って、各種アクチュエータ（スロットルバルブ２２、ＴＣＶ２４、燃料噴射弁３０および点火プラグ３２）を制御する（ステップ１１４）。

以上説明した図１１に示すルーチンによれば、ＴＣＶ２４を用いてエンジン回転速度に応じて通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させることによって、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速を、エンジン回転速度の高低に依らずに着火最適範囲内に保持することが可能となる。このため、リーンバーン運転時における混合気の着火性を向上させることができる。

また、本実施形態におけるタンブル流の制御手法によれば、タンブル流の形状の変更を伴わずにタンブル比の調整によってプラグ近傍流速を制御する手法と比べて、タンブル比の調整量が少なくて済む。これにより、燃焼に重要な筒内ガスの乱れをあまり弱めずに、プラグ近傍流速を制御して着火性を向上させることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、リーンバーン運転領域においてエンジン回転速度に応じてωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御するために、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適した範囲内のタンブル比よりも大きいタンブル比が得られる第１ＴＣＶ開度と、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適した範囲内のタンブル比が得られる第２ＴＣＶ開度との間で、ＴＣＶ開度を制御することとしている。しかしながら、ωタンブル形状のタンブル流を非生成とするためのＴＣＶ開度は、第１ＴＣＶ開度に代え、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適した範囲内のタンブル比よりも小さいタンブル比が得られる所定のＴＣＶ開度であってもよい。

また、上述した実施の形態１における図１１に示すルーチンの制御は、リーンバーン運転領域において、目標流速範囲（着火最適範囲）内のプラグ近傍流速の目標値に対応する目標ＴＣＶ開度となるようにＴＣＶ開度を制御することによって、点火時のプラグ近傍流速を着火最適範囲内に制御するというものである。このような制御に加え、次のようなフィードバック制御を行うこととしてもよい。すなわち、点火時のプラグ近傍流速は、例えば、点火プラグ３２に印加される点火コイルの放電電圧の計測器を備えておくことによって放電電圧に基づいて計測することができる。また、プラグ近傍流速は、例えば、クランク角センサ４２などを利用して推定した燃焼変動に基づいて推定してもよい。そして、内燃機関１０の運転中に、プラグ近傍流速の目標値に対する計測値の乖離が生じている場合には、プラグ近傍流速の計測値を着火最適範囲内に収めるためにＴＣＶ開度を調整するフィードバック制御を行うようにしてもよい。また、上記の乖離が生じている場合には、ＴＣＶ開度のフィードバック制御に代えて、筒内の空燃比もしくは点火エネルギーを調整するフィードバック制御を行うようにしてもよい。筒内の空燃比の場合には、燃焼を改善するために空燃比をリッチ側に制御することが好適であり、点火エネルギーの場合には、同様の理由で点火エネルギーを高めることが好適である。尚、上述した各種のフィードバック制御は、後述する各実施の形態の何れと組み合わせてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０８〜１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「タンブル流制御手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図１２および図１３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ４０に図１１に示すルーチンに代えて後述の図１３に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。

図１２は、本発明の実施の形態２において、ＴＣＶ２４によるタンブル比の変更によってωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することで点火時のプラグ近傍流速を制御する手法を説明するための図である。
本実施形態におけるタンブル流の制御手法は、ＴＣＶ２４を用いてエンジン回転速度に応じてωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することを利用して、リーンバーン運転領域でプラグ近傍流速が着火最適範囲内に収まるように、エンジン回転速度の変化に対してプラグ近傍流速が略一定となるエンジン回転速度領域を作り出すというものである。

具体的には、リーンバーン運転領域における第２エンジン回転速度ＮＥ２よりも低回転側の領域（第１エンジン回転速度領域Ｒ１）では、通常のタンブル形状のタンブル流を生成するための第３ＴＣＶ開度にＴＣＶ開度が制御される。第３ＴＣＶ開度は、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適したタンブル比範囲の境界（図１２に示す例では上限）近傍のタンブル比が得られる開度である。

図１２（Ｃ）に示すように、リーンバーン運転領域における第２エンジン回転速度ＮＥ２〜第３エンジン回転速度ＮＥ３までのエンジン回転速度領域（第２エンジン回転速度領域Ｒ２に含まれる）では、エンジン回転速度の上昇に伴ってＴＣＶ開度が第３ＴＣＶ開度から第４ＴＣＶ開度に向けて徐々に開かれていく。タンブル比としては、図１２（Ｂ）に示すように、エンジン回転速度の上昇に伴って、１ストローク中の筒内ガスの回転角度が上記タンブル比範囲内の最適なタンブル比（図７を参照して説明したタンブル比）に近づくように上記境界近傍の値から徐々に下げられていくことになる。その結果、このエンジン回転速度領域（ＮＥ２〜ＮＥ３）では、ωタンブル形状のタンブル流が生成され、かつ、生成されるωタンブル形状の流れがエンジン回転速度の上昇に伴うタンブル流の渦中心の偏り度合いの増大によって強化されていく。

プラグ近傍流速は、タンブル比が一定であれば、エンジン回転速度の上昇に伴って単調に増加する。また、ωタンブル形状の流れが強化されるほど、点火時のプラグ近傍流速を低下させることができる。したがって、エンジン回転速度領域（ＮＥ２〜ＮＥ３）では、ωタンブル形状の流れの強化によるプラグ近傍流速の低下の作用によってエンジン回転速度の上昇に伴うプラグ近傍流速の上昇の作用が打ち消されるようにＴＣＶ開度が開かれていくことになる。これにより、エンジン回転速度の変化に対してプラグ近傍流速が略一定となる特性を得ることができる。尚、図１２に示すケースでは、リーンバーン運転領域における第３エンジン回転速度ＮＥ３よりも高回転側の領域（これも第２エンジン回転速度領域Ｒ２に含まれる）では、ＴＣＶ開度が第４ＴＣＶ開度で固定されているため、エンジン回転速度の上昇に伴ってプラグ近傍流速が単調に増加する。

図１３は、本発明の実施の形態２における特徴的な制御を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、図１３において、実施の形態１における図１１に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図１３に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、上記ステップ１０６において点火エネルギーを決定した後に、現在のエンジン回転速度ＮＥが第２エンジン回転速度ＮＥ２よりも低いか否かを判定する（ステップ２００）。第２エンジン回転速度ＮＥ２は、リーンバーン運転領域においてエンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変更する際の閾値である。

ステップ２００の判定が成立する場合（ＮＥ＜ＮＥ２）には、ＥＣＵ４０は、第３ＴＣＶ開度を用いて流速制御値（目標ＴＣＶ開度）を決定するとともに、目標空燃比の下で要求トルクを実現するためのスロットル開度、燃料噴射量および点火時期のそれぞれの目標値を所定のマップ等に従って決定する（ステップ２０２）。一方、ステップ２００の判定が不成立となる場合には、ＥＣＵ４０は、次いで、現在のエンジン回転速度ＮＥが第２エンジン回転速度ＮＥ２以上であって第３エンジン回転速度ＮＥ３よりも低いか否かを判定する（ステップ２０４）。

ステップ２０４の判定が成立する場合（ＮＥ２≦ＮＥ＜ＮＥ３）には、ＥＣＵ４０は、次いで、エンジン回転速度の変化に対してプラグ近傍流速が略一定となるように、流速制御値（本実施形態では、目標ＴＣＶ開度）を決定するとともに、目標空燃比の下で要求トルクを実現するためのスロットル開度、燃料噴射量および点火時期のそれぞれの目標値を所定のマップ等に従って決定する（ステップ２０６）。より具体的には、ＥＣＵ４０は、リーンバーン運転領域において用いる目標ＴＣＶ開度を決定するために、ωタンブル形状の流れの強化によるプラグ近傍流速の低下の作用によってエンジン回転速度の上昇に伴うプラグ近傍流速の上昇の作用を打ち消すことのできるＴＣＶ開度をエンジン回転速度との関係で実験等により予め定めたマップ（図示省略）を記憶している。ＥＣＵ４０は、本ステップ２０６では、そのようなマップを参照して、現在のエンジン回転速度に応じた目標ＴＣＶ開度（流速制御値）を決定する。

一方、ステップ２０４の判定が不成立となる場合（ＮＥ３≦ＮＥ）には、ＥＣＵ４０は、次いで、第４ＴＣＶ開度を用いて流速制御値（目標ＴＣＶ開度）を決定するとともに、目標空燃比の下で要求トルクを実現するためのスロットル開度、燃料噴射量および点火時期のそれぞれの目標値を所定のマップ等に従って決定する（ステップ２０８）。

以上説明した図１３に示すルーチンによれば、ＴＣＶ２４を用いてエンジン回転速度に応じて通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させることによって、リーンバーン運転を行うエンジン回転速度領域における点火時のプラグ近傍流速を、エンジン回転速度の変化に対して略一定となるように制御することができる。これにより、点火時のプラグ近傍流速を着火最適範囲内に好適に収めることができる。

また、着火最適範囲内のプラグ近傍流速には、着火遅れが最小となる最適値が存在する。本実施形態の制御手法によれば、実施の形態１の制御手法と比べ、そのような最適値が得られるようにプラグ近傍流速を制御し易くなる。このため、リーンバーン運転時における混合気の着火性を向上させつつ、リーン限界を拡大させることができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、リーンバーン運転を行うエンジン回転速度領域においてエンジン回転速度の変化に対してプラグ近傍流速が略一定となる特性を得るために、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適したタンブル比の範囲の境界（上限）近傍のタンブル比が得られる第３ＴＣＶ開度と、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適した範囲内のタンブル比が得られる第４ＴＣＶ開度との間で、ＴＣＶ開度を制御することとしている。しかしながら、このような制御のために用いるＴＣＶ開度は、第３ＴＣＶ開度に代え、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適したタンブル比の範囲の境界（下限）近傍のタンブル比が得られる所定のＴＣＶ開度であってもよい。より具体的には、リーンバーン運転領域におけるエンジン回転速度領域では、エンジン回転速度の上昇に伴ってＴＣＶ開度が上記所定のＴＣＶ開度から第４ＴＣＶ開度に向けて徐々に閉じられるようになっていてもよい。これにより、タンブル比としては、エンジン回転速度の上昇に伴って、１ストローク中の筒内ガスの回転角度が上記タンブル比範囲内の最適なタンブル比に近づくように上記境界近傍の値から徐々に上げられていくことになる。その結果、このような代替手法によっても、上記エンジン回転速度領域では、ωタンブル形状のタンブル流が生成され、かつ、生成されるωタンブル形状の流れがエンジン回転速度の上昇に伴うタンブル流の渦中心の偏り度合いの増大によって強化されていくようになる。

尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ２００〜２０８および１１４の処理を実行することにより前記第１〜第４の発明における「タンブル流制御手段」が実現されている。

実施の形態３．
次に、図１４〜図１５を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
（システム構成の説明）
図１４は、本発明の実施の形態３の内燃機関５０のシステム構成を説明するための模式図である。尚、図１４において、図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

本実施形態の内燃機関５０は、ＴＣＶ２４を備えずに吸気通路５２の吸気ポート５２ａの形状によって筒内にタンブル流を生成可能に構成されている点と吸気可変動弁装置５４を備えている点とを除き、上述した内燃機関１０と同様に構成されているものとする。吸気可変動弁装置５４は、吸気弁２６を駆動するためにプロフィールの異なる２つのカムを備え、当該カムを切り替えることによって吸気弁２６のバルブリフト特性を２段階に切り替え可能な装置である。このようにバルブリフト特性を２段階に切り替え可能な動弁装置自体は周知のものであるので、ここではその具体的な構成の説明を省略する。

図１５は、図１４に示す吸気可変動弁装置５４によって変更される吸気弁２６のバルブリフト特性を説明するための図である。
吸気可変動弁装置５４は、図１５に示すように、一般的な形状のバルブリフト特性（破線）と、破線で示すバルブリフト特性と比べてバルブリフト量が最大となる期間の長いリフト特性（実線）との間でバルブリフト特性を切り替えるものである。

（実施の形態３の制御の特徴部分）
図１６は、図１５に示すバルブリフト特性の切り替えに伴う筒内のガス流動の変化を説明するための図である。尚、図１６は、吸気行程においてピストン１２の速度が最大となり、かつ、吸気弁２６のバルブリフト量が高いことで、流量が多い状態で吸気が筒内に流入するタイミング（吸気行程の中期）付近でのものである。

バルブリフト最大期間の長いバルブリフト特性が選択されている場合には、図１６（Ａ）に示すように、流量が多い状態で吸気が流入するタイミング付近において、吸気が大きな塊とはならずに分散して筒内に流入する。一方、バルブリフト最大期間の短いバルブリフト特性が選択されている場合には、図１６（Ｂ）に示すように、上記タイミング付近において、吸気が大きな塊となって集中して筒内に流入する。このように、バルブリフト最大期間を変更可能な吸気可変動弁装置５４は、筒内のガス流動に影響を及ぼすアクチュエータである。

バルブリフト最大期間を長くして吸気の塊を分散することによって、圧縮行程後半において燃焼室１４の容積中心に対するタンブル流の渦中心の偏りを抑制することができる。これにより、ωタンブル形状の流れの生成が抑制され、通常のタンブル形状のタンブル流が生成されるようになるため、点火時のプラグ近傍流速を高くすることができる。一方、バルブリフト最大期間を短くして吸気の塊を集中させることによって、タンブル流の渦中心の偏りを生じさせることができる。これにより、ωタンブル形状のタンブル流が生成されるようになるため、通常のタンブル形状のタンブル流の生成時と比べて、プラグ近傍流速を低くすることができる。尚、バルブリフト最大期間を短く制御した際に効果的にωタンブル形状のタンブル流を生成させるためには、内燃機関５０が備える吸気ポート５２ａが、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適したタンブル比（図７を参照して説明したタンブル比）が得られるように構成されたものであることが好ましい。

そこで、本実施形態では、リーンバーン運転領域において吸気可変動弁装置５４を用いてエンジン回転速度に応じて吸気弁２６のバルブリフト最大期間を変更することによって、通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させることとした。より具体的には、リーンバーン運転領域内の低回転側の領域（第１エンジン回転速度領域Ｒ１）では、バルブリフト最大期間の長いバルブリフト特性を選択し、高回転側の領域（第２エンジン回転速度領域Ｒ２）では、バルブリフト最大期間の短いバルブリフト特性を選択することとした。

（実施の形態３における特徴的な制御の具体例）
図１７は、吸気可変動弁装置５４によるバルブリフト最大期間の切り替えによってωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することで点火時のプラグ近傍流速を制御する手法を説明するための図である。

図１７に示すように、エンジン回転速度に関係なくバルブリフト最大期間の長いバルブリフト特性を継続的に使用した場合には、エンジン回転速度の増加に伴うガス流速の増加によって、リーンバーン運転領域における高回転側の領域においてプラグ近傍流速が着火最適範囲から外れてしまい、また、同様に、バルブリフト最大期間の短いバルブリフト特性を継続的に使用した場合には、低回転側の領域においてプラグ近傍流速が着火最適範囲から外れてしまう。

図１７に示すケースでは、リーンバーン運転領域における低回転側の領域Ｒ１では、バルブリフト最大期間の長いバルブリフト特性を用いることで、通常のタンブル形状のタンブル流を利用してプラグ近傍流速を着火最適範囲内に収めることができる。そこで、本実施形態では、バルブリフト最大期間の長いバルブリフト特性を継続的に使用したままでは着火最適範囲の上限に達してしまう第４エンジン回転速度ＮＥ４よりも低いエンジン回転速度領域Ｒ１においては、バルブリフト最大期間の長いバルブリフト特性が選択される。

一方、第４エンジン回転速度ＮＥ４以上となる高エンジン回転速度領域Ｒ２においてはバルブリフト最大期間の短いバルブリフト特性が選択される。これにより、ωタンブル形状のタンブル流の生成によって、図１７（Ａ）に示すように、タンブル流の形状が変更される第４エンジン回転速度ＮＥ４付近において、プラグ近傍流速を低下させることができる。このように、エンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変化させることにより、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速を着火最適範囲内に保持できるようになる。尚、バルブリフト特性の切り替え時には、吸入空気量の変化を解消するためにスロットルバルブ２２の開度が調整される。

また、図１７に示す手法では、第４エンジン回転速度ＮＥ４よりも高回転側の領域Ｒ２においては、バルブリフト最大期間の短い単一のバルブリフト特性が用いられるようになっている。しかしながら、上記の手法に代え、吸気弁２６を駆動するために電磁駆動式もしくはカムを電動モータで駆動する方式等の可変動弁装置を用いることによって、リーンバーン運転領域におけるバルブリフト最大期間をエンジン回転速度に応じて連続的に変更するようにしてもよい。すなわち、このような手法によって、リーンバーン運転時のプラグ近傍流速が所望の値となるようにプラグ近傍流速をより細かく制御してもよい。

図１８は、本発明の実施の形態３における特徴的な制御を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、図１８において、実施の形態１における図１１に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図１８に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、上記ステップ１０６において点火エネルギーを決定した後に、現在のエンジン回転速度ＮＥが第４エンジン回転速度ＮＥ４よりも低いか否かを判定する（ステップ３００）。第４エンジン回転速度ＮＥ４は、上述したように、リーンバーン運転領域においてエンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変更する際の閾値である。

ステップ３００の判定が成立する場合（ＮＥ＜ＮＥ４）には、ＥＣＵ４０は、バルブリフト最大期間の長いバルブリフト特性が得られるカムを流速制御値（目標バルブリフト特性）として選択するとともに、目標空燃比の下で要求トルクを実現するためのスロットル開度、燃料噴射量および点火時期のそれぞれの目標値を所定のマップ等に従って決定する（ステップ３０２）。一方、ステップ３００の判定が不成立となる場合（ＮＥ≧ＮＥ４）には、ＥＣＵ４０は、バルブリフト最大期間の短いバルブリフト特性が得られるカムを流速制御値（目標バルブリフト特性）として選択するとともに、目標空燃比の下で要求トルクを実現するためのスロットル開度、燃料噴射量および点火時期のそれぞれの目標値を所定のマップ等に従って決定する（ステップ３０４）。次いで、ＥＣＵ４０は、決定された各種目標値に従って、各種アクチュエータ（スロットルバルブ２２、燃料噴射弁３０、点火プラグ３２および吸気可変動弁装置５４）を制御する（ステップ３０６）。

以上説明した図１８に示すルーチンによれば、バルブリフト最大期間を切り替え可能な吸気可変動弁装置５４を利用して、エンジン回転速度に応じて通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させることによって、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速を、エンジン回転速度の高低に依らずに着火最適範囲内に保持することが可能となる。また、本実施形態におけるタンブル流の制御手法によれば、タンブル比自体の制御に頼らずに（すなわち、燃焼に重要な筒内ガスの乱れを弱めることなく）、タンブル流の渦中心の偏りの有無（タンブル形状）を制御することが可能となる。このため、リーン限界の拡大（燃費向上）を図りつつ、リーンバーン運転時における混合気の着火性を向上させることができる。

尚、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ３００〜３０６の処理を実行することにより前記第１〜第４の発明における「タンブル流制御手段」が実現されている。

実施の形態４．
次に、図１９〜図２３を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
（システム構成の説明）
図１９は、本発明の実施の形態４の内燃機関６０のシステム構成を説明するための模式図である。尚、図１９において、図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

本実施形態の内燃機関６０は、ＴＣＶ２４を備えずに吸気通路６２の吸気ポート６２ａの形状によって筒内にタンブル流を生成可能に構成されている点と吸気可変動弁装置６４およびバルブマスク６６を備えている点とを除き、上述した内燃機関１０と同様に構成されているものとする。吸気可変動弁装置６４は、吸気弁２６のリフト量を連続的に変更可能な装置である。このような機能を有する可変動弁装置自体は周知のものであるので、ここではその具体的な構成の説明を省略する。

図２０は、図１９に示すバルブマスク６６の詳細な構成を説明するための図である。尚、図２０は、シリンダの下方側から燃焼室１４を見た図である。
バルブマスク６６は、各気筒に対して２つ備えられた吸気ポート６２ａのそれぞれに対し、燃焼室１４の中央側の部位（点火プラグ３２の近傍部位）を除いて吸気ポート６２ａの出口を取り囲む凸部として、燃焼室１４の壁面に形成されている。

（実施の形態４の制御の特徴部分）
図２１は、図２０中に示すＡ−Ａ線で吸気ポート６２ａ周りの構成を切断した断面図である。
上記のように形成されたバルブマスク６６を備えていることにより、図２１に示すように、吸気ポート６２ａから流入する吸気は、バルブマスク６６が設けられた部位に向けては隙間が狭いために流れにくくなり、バルブマスク６６が設けられていない燃焼室１４の中央側の部位には流れ易くなる。このため、図２０中に矢印で示すように、吸気ポート６２ａから流入する吸気を燃焼室１４の中央側に集めることができる。このような傾向は、吸気弁２６のリフト量が小さくなるほど、バルブマスク６６の効果が高まるので顕著となる。したがって、吸気弁２６のリフト量を小さくすることによって、吸気ポート６２ａから流入する吸気を燃焼室１４の中央側により積極的に集められるようになる。このように、バルブマスク６６と、吸気弁２６のリフト量を変更可能な吸気可変動弁装置６４との組み合わせは、筒内のガス流動に影響を及ぼす装置である。

上記のように構成された内燃機関６０においては、吸気弁２６のリフト量を大きくして吸気ポート６２ａから流入する吸気が燃焼室１４の中心側に極力偏らないようにすることによって、圧縮行程後半において燃焼室１４の容積中心に対するタンブル流の渦中心の偏りを抑制することができる。これにより、ωタンブル形状のタンブル流の生成が抑制され、通常のタンブル形状のタンブル流が生成されるようになるため、点火時のプラグ近傍流速を高くすることができる。一方、吸気弁２６のリフト量を小さくして燃焼室１４の中央側の部位に向かう吸気の流量の割合を増やすことによって、タンブル流の渦中心の偏りを生じさせることができる。これにより、ωタンブル形状のタンブル流が生成されるようになるため、通常のタンブル形状のタンブル流の生成時と比べて、プラグ近傍流速を低くすることができる。また、このように、本実施形態の構成によれば、バルブマスク６６による吸気の指向性が吸気弁２６のリフト量に応じて変化することを利用して燃焼室１４の中央側の部位に向かう吸気の流量の割合を増減することで、ωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することが可能となる。尚、吸気弁２６のリフト量を小さく制御した際に効果的にωタンブル形状のタンブル流を生成させるためには、内燃機関６０が備える吸気ポート６２ａが、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適したタンブル比（図７を参照して説明したタンブル比）が得られるように構成されたものであることが好ましい。

そこで、本実施形態では、上記のように形成されたバルブマスク６６を備えたうえで、リーンバーン運転領域において吸気可変動弁装置６４を用いてエンジン回転速度に応じて吸気弁２６のリフト量を変更することによって、通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させることとした。より具体的には、リーンバーン運転領域内の低回転側の領域（第１エンジン回転速度領域Ｒ１）では、吸気弁２６のリフト量として第１リフト量（例えば、最大リフト量）を選択し、高回転側の領域（第２エンジン回転速度領域Ｒ２）では、吸気弁２６のリフト量として第１リフト量よりも小さい第２リフト量を選択することとした。

（実施の形態４における特徴的な制御の具体例）
図２２は、バルブマスク６６と吸気可変動弁装置６４による吸気弁２６のリフト量の変更とによってωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することで点火時のプラグ近傍流速を制御する手法を説明するための図である。

図２２に示すように、エンジン回転速度に関係なく大きな第１リフト量を継続的に使用した場合には、エンジン回転速度の増加に伴うガス流速の増加によって、リーンバーン運転領域における高回転側の領域Ｒ２においてプラグ近傍流速が着火最適範囲から外れてしまい、また、同様に、小さな第２リフト量を継続的に使用した場合には、低回転側の領域Ｒ１においてプラグ近傍流速が着火最適範囲から外れてしまう。

図２２に示すケースでは、リーンバーン運転領域における低回転側の領域Ｒ１では、第１リフト量を用いることで、通常のタンブル形状のタンブル流を利用してプラグ近傍流速を着火最適範囲内に収めることができる。そこで、本実施形態では、大きな第１リフト量を継続的に使用したままでは着火最適範囲の上限に達してしまう第５エンジン回転速度ＮＥ５よりも低いエンジン回転速度領域Ｒ１においては、第１リフト量が選択される。

一方、第５エンジン回転速度ＮＥ５以上となる高エンジン回転速度領域Ｒ２においては小さな第２リフト量が選択される。これにより、ωタンブル形状のタンブル流の生成によって、図２２（Ａ）に示すように、タンブル流の形状が変更される第５エンジン回転速度ＮＥ５付近において、プラグ近傍流速を低下させることができる。このように、エンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変化させることにより、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速を着火最適範囲内に保持できるようになる。尚、バルブリフト特性の切り替え時には、吸入空気量の変化を解消するためにスロットルバルブ２２の開度が調整される。

また、図２２に示す手法では、第５エンジン回転速度ＮＥ５よりも高回転側の領域Ｒ２においては、リフト量の小さな単一のバルブリフト特性が用いられるようになっている。しかしながら、上記の手法に代え、吸気弁２６のリフト量をエンジン回転速度に応じて連続的に変更するようにしてもよい。すなわち、このような手法によって、リーンバーン運転時のプラグ近傍流速が所望の値となるようにプラグ近傍流速をより細かく制御してもよい。

図２３は、本発明の実施の形態４における特徴的な制御を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、図２３において、実施の形態３における図１８に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図２３に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、上記ステップ１０６において点火エネルギーを決定した後に、現在のエンジン回転速度ＮＥが第５エンジン回転速度ＮＥ５よりも低いか否かを判定する（ステップ４００）。第５エンジン回転速度ＮＥ５は、上述したように、リーンバーン運転領域においてエンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変更する際の閾値である。

ステップ４００の判定が成立する場合（ＮＥ＜ＮＥ５）には、ＥＣＵ４０は、大きなリフト量が得られる第１リフト量を流速制御値（目標リフト量）として選択するとともに、目標空燃比の下で要求トルクを実現するためのスロットル開度、燃料噴射量および点火時期のそれぞれの目標値を所定のマップ等に従って決定する（ステップ４０２）。一方、ステップ４００の判定が不成立となる場合（ＮＥ≧ＮＥ５）には、ＥＣＵ４０は、小さなリフト量が得られる第２リフト量を流速制御値（目標リフト量）として選択するとともに、目標空燃比の下で要求トルクを実現するためのスロットル開度、燃料噴射量および点火時期のそれぞれの目標値を所定のマップ等に従って決定する（ステップ４０４）。次いで、ＥＣＵ４０は、決定された各種目標値に従って、各種アクチュエータ（スロットルバルブ２２、燃料噴射弁３０、点火プラグ３２および吸気可変動弁装置６４）を制御する（ステップ４０６）。

以上説明した図２３に示すルーチンによれば、バルブマスク６６と吸気弁２６のリフト量の制御との組み合わせを利用して、エンジン回転速度に応じて通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させることによって、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速を、エンジン回転速度の高低に依らずに着火最適範囲内に保持することが可能となる。そして、本実施形態におけるタンブル流の制御手法によっても、タンブル比自体の制御に頼らずに（すなわち、燃焼に重要な筒内ガスの乱れを弱めることなく）、タンブル流の渦中心の偏りの有無（タンブル形状）を制御することが可能となる。このため、リーン限界の拡大（燃費向上）を図りつつ、リーンバーン運転時における混合気の着火性を向上させることができる。

尚、上述した実施の形態４においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ４００〜４０６の処理を実行することにより前記第１〜第６の発明における「タンブル流制御手段」が実現されている。

実施の形態５．
次に、図２４〜図２７を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。
［システム構成の説明］
図２４は、本発明の実施の形態５の内燃機関７０が備えるバルブマスク７２の詳細な構成を説明するための模式図である。

本実施形態の内燃機関７０は、バルブマスク６６に代えてバルブマスク７２を備えている点を除き、上述した内燃機関６０と同様に構成されているものとする。本実施形態におけるバルブマスク７２は、各気筒に対して２つ備えられた吸気ポート６２ａのそれぞれに対し、燃焼室１４の中央側の部位（点火プラグ３２の近傍部位）のみにおいて吸気ポート６２ａの出口を取り囲む凸部として、燃焼室１４の壁面に形成されている。

（実施の形態５の制御の特徴部分）
図２５は、図２４中に示すＢ−Ｂ線で吸気ポート６２ａ周りの構成を切断した断面図である。
上記のように形成されたバルブマスク７２を備えていることにより、図２５に示すように、吸気ポート６２ａから流入する吸気は、バルブマスク７２が設けられた燃焼室１４の中央側の部位に向けては隙間が狭いために流れにくくなり、バルブマスク７２が設けられていない残りの部位には流れ易くなる。このような傾向は、吸気弁２６のリフト量が小さくなるほど、バルブマスク７２の効果が高まるので顕著となる。換言すると、吸気弁２６のリフト量を大きくすることによって、吸気弁２６のリフト量が相対的に小さい場合と比べて、吸気ポート６２ａから流入する吸気のうちで燃焼室１４の中央側に向かう吸気の流量の割合を増やせるようになる。

上記のように構成された内燃機関７０においては、吸気弁２６のリフト量を小さくして吸気ポート６２ａから流入する吸気が燃焼室１４の中心側に極力偏らないようにすることによって、圧縮行程後半において燃焼室１４の容積中心に対するタンブル流の渦中心の偏りを抑制することができる。これにより、ωタンブル形状のタンブル流の生成が抑制され、通常のタンブル形状のタンブル流が生成されるようになるため、点火時のプラグ近傍流速を高くすることができる。一方、吸気弁２６のリフト量を大きくして燃焼室１４の中央側の部位に向かう吸気の流量の割合を増やすことによって、タンブル流の渦中心の偏りを生じさせることができる。これにより、ωタンブル形状のタンブル流が生成されるようになるため、通常のタンブル形状のタンブル流の生成時と比べて、プラグ近傍流速を低くすることができる。また、このように、本実施形態の構成によっても、バルブマスク７２による吸気の指向性が吸気弁２６のリフト量に応じて変化することを利用して燃焼室１４の中央側の部位に向かう吸気の流量の割合を増減することで、ωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することが可能となる。尚、吸気弁２６のリフト量を大きく制御した際に効果的にωタンブル形状のタンブル流を生成させるためには、内燃機関７０が備える吸気ポート６２ａが、ωタンブル形状のタンブル流の生成に適したタンブル比（図７を参照して説明したタンブル比）が得られるように構成されたものであることが好ましい。

そこで、本実施形態では、上記のように形成されたバルブマスク７２を備えたうえで、リーンバーン運転領域において吸気可変動弁装置６４を用いてエンジン回転速度に応じて吸気弁２６のリフト量を変更することによって、通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させることとした。より具体的には、リーンバーン運転領域内の低回転側の領域（第１エンジン回転速度領域Ｒ１）では、吸気弁２６のリフト量として第３リフト量を選択し、高回転側の領域（第２エンジン回転速度領域Ｒ２）では、吸気弁２６のリフト量として第３リフト量よりも大きな第４リフト量（例えば、最大リフト量）を選択することとした。

（実施の形態５における特徴的な制御の具体例）
図２６は、バルブマスク７２と吸気可変動弁装置６４による吸気弁２６のリフト量の変更とによってωタンブル形状のタンブル流の生成と非生成とを制御することで点火時のプラグ近傍流速を制御する手法を説明するための図である。

図２６に示すように、エンジン回転速度に関係なく小さな第３リフト量を継続的に使用した場合には、エンジン回転速度の増加に伴うガス流速の増加によって、リーンバーン運転領域における高回転側の領域Ｒ２においてプラグ近傍流速が着火最適範囲から外れてしまい、また、同様に、大きな第４リフト量を継続的に使用した場合には、低回転側の領域においてプラグ近傍流速が着火最適範囲から外れてしまう。

図２６に示すケースでは、リーンバーン運転領域における低回転側の領域Ｒ１では、第３リフト量を用いることで、通常のタンブル形状のタンブル流を利用してプラグ近傍流速を着火最適範囲内に収めることができる。そこで、本実施形態では、小さな第３リフト量を継続的に使用したままでは着火最適範囲の上限に達してしまう第６エンジン回転速度ＮＥ６よりも低いエンジン回転速度領域Ｒ１においては、第３リフト量が選択される。

一方、第６エンジン回転速度ＮＥ６以上となる高エンジン回転速度領域Ｒ２においては大きな第４リフト量が選択される。これにより、ωタンブル形状のタンブル流の生成によって、図２６（Ａ）に示すように、タンブル流の形状が変更される第６エンジン回転速度ＮＥ６付近において、プラグ近傍流速を低下させることができる。このように、エンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変化させることにより、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速を着火最適範囲内に保持できるようになる。尚、バルブリフト特性の切り替え時には、吸入空気量の変化を解消するためにスロットルバルブ２２の開度が調整される。

また、図２６に示す手法では、第６エンジン回転速度ＮＥ６よりも高回転側の領域Ｒ２においては、リフト量の大きな単一のバルブリフト特性が用いられるようになっている。しかしながら、上記の手法に代え、吸気弁２６のリフト量をエンジン回転速度に応じて連続的に変更するようにしてもよい。すなわち、このような手法によって、リーンバーン運転時のプラグ近傍流速が所望の値となるようにプラグ近傍流速をより細かく制御してもよい。

図２７は、本発明の実施の形態５における特徴的な制御を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、図２７において、実施の形態４における図２３に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図２７に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、上記ステップ１０６において点火エネルギーを決定した後に、現在のエンジン回転速度ＮＥが第６エンジン回転速度ＮＥ６よりも低いか否かを判定する（ステップ５００）。第６エンジン回転速度ＮＥ６は、上述したように、リーンバーン運転領域においてエンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変更する際の閾値である。

ステップ５００の判定が成立する場合（ＮＥ＜ＮＥ６）には、ＥＣＵ４０は、小さなリフト量が得られる第３リフト量を流速制御値（目標リフト量）として選択するとともに、目標空燃比の下で要求トルクを実現するためのスロットル開度、燃料噴射量および点火時期のそれぞれの目標値を所定のマップ等に従って決定する（ステップ５０２）。一方、ステップ５００の判定が不成立となる場合（ＮＥ≧ＮＥ６）には、ＥＣＵ４０は、大きなリフト量が得られる第４リフト量を流速制御値（目標リフト量）として選択するとともに、目標空燃比の下で要求トルクを実現するためのスロットル開度、燃料噴射量および点火時期のそれぞれの目標値を所定のマップ等に従って決定する（ステップ５０４）。

以上説明した図２７に示すルーチンによっても、バルブマスク７２と吸気弁２６のリフト量の制御との組み合わせを利用して、エンジン回転速度に応じて通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させることによって、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速を、エンジン回転速度の高低に依らずに着火最適範囲内に保持することが可能となる。そして、本実施形態におけるタンブル流の制御手法によっても、タンブル比自体の制御に頼らずに（すなわち、燃焼に重要な筒内ガスの乱れを弱めることなく）、タンブル流の渦中心の偏りの有無（タンブル形状）を制御することが可能となる。このため、リーン限界の拡大（燃費向上）を図りつつ、リーンバーン運転時における混合気の着火性を向上させることができる。

尚、上述した実施の形態５においては、ＥＣＵ４０が上記５００〜５０４および４０６の処理を実行することにより前記第１〜第５および第７の発明における「タンブル流制御手段」が実現されている。

ところで、上述した実施の形態１〜５においては、エンジン回転速度に応じて通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させることによって、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速を着火最適範囲内に収める制御について説明を行った。しかしながら、本発明におけるタンブル流の制御は、リーンバーン運転領域における点火時のプラグ近傍流速が着火最適範囲内に収まるように、エンジン回転速度に応じて通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させるものに限定されない。すなわち、本発明におけるタンブル流の制御は、プラグ近傍流速を着火最適範囲内に積極的に制御するという構成を伴わずに、単に、エンジン回転速度に応じて通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させるものであってもよい。より具体的には、各実施形態において既述したように、あるエンジン回転速度領域内においてエンジン回転速度に応じて通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させることは、このようなタンブル形状の変更がなされない場合と比べ、当該エンジン回転速度領域内における点火時のプラグ近傍流速の変化を抑制させる効果をもたらす。したがって、エンジン回転速度に応じて通常のタンブル形状とωタンブル形状との間でタンブル流の形状を変化させるという構成を純粋に備えることによって、混合気の燃料濃度が低い条件で行われるリーンバーン運転における混合気の着火性向上に資する内燃機関の制御装置を提供できるようになるといえる。

また、上述した実施の形態１〜５が前提としているように、ωタンブル形状のタンブル流の生成時における点火プラグ３２の周囲でのガス流れ方向の反転タイミングがリーンバーン運転時の点火時期の設定範囲よりも後になるケースにおいては、タンブル流の渦中心の偏り度合いを高めてωタンブル形状の流れを強化することは、点火時のプラグ近傍流速の低下をもたらす。これに対し、上記ガス流れ方向の反転タイミングがリーンバーン運転時の点火時期の設定範囲よりも前になるケースでは、ωタンブル形状の流れの強化は、点火時のプラグ近傍流速を高めるように作用する（ただし、ガスの流れ方向は上記のケースと逆になる）。本発明においてエンジン回転速度に応じて行われる通常のタンブル形状（第１タンブル形状）とωタンブル形状（第２タンブル形状）との間でのタンブル流の形状の変更は、後者のケースを前提とする内燃機関に対して適用してもよい。

また、上述した実施の形態１〜５においては、１気筒当たり２つの吸気弁２６を備えた内燃機関１０等を例に挙げて説明を行ったが、本発明は、点火プラグを間に介するように吸気弁と排気弁とが配置されているものであれば、１気筒当たりの吸気弁の数が２つ以外の構成の内燃機関に対して適用してもよい。

１０，５０，６０，７０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６，５２，６２ 吸気通路
１６ａ，５２ａ，６２ａ 吸気ポート
１８ 排気通路
１８ａ 排気ポート
２０ エアフローメータ
２２ スロットルバルブ
２４ タンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）
２６ 吸気弁
２８ 排気弁
３０ 燃料噴射弁
３２ 点火プラグ
３４ ＥＧＲ通路
３６ ＥＧＲバルブ
３８ 空燃比センサ
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２ クランク角センサ
５４，６４ 吸気可変動弁装置
６６，７２ バルブマスク

Claims (8)

1. 燃焼室の上壁面の中央部付近に配置され混合気に点火するための点火プラグを備え、リーンバーン運転時に筒内にタンブル流が生成される内燃機関の制御装置であって、
   点火時の前記点火プラグの周囲におけるガスの流れ方向が圧縮行程後半において吸気弁側から排気弁側に向かう方向である第１タンブル形状と、筒内ガスが圧縮行程において圧縮されていく過程で、前記燃焼室を上方から見て回転方向が互いに逆となる２つのスワール流成分を有するタンブル流に変化することで、前記ガスの流れ方向が圧縮行程後半において前記吸気弁側から前記排気弁側に向かう方向から前記排気弁側から前記吸気弁側に向かう方向に反転する第２タンブル形状との間で、エンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変化させるタンブル流制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記タンブル流制御手段は、前記第１タンブル形状と前記第２タンブル形状との間でエンジン回転速度に応じてタンブル流の形状を変化させることによって、点火時の前記点火プラグの周囲のガス流速を所定の流速範囲内に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。
3. 前記タンブル流制御手段は、第１エンジン回転速度領域ではタンブル流の形状を前記第１タンブル形状に変更し、前記第１エンジン回転速度領域よりも高い第２エンジン回転速度領域ではタンブル流の形状を前記第２タンブル形状に変更することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記タンブル流制御手段は、圧縮行程後半での吸排気方向におけるシリンダボア中心断面付近におけるタンブル流の渦中心の前記燃焼室の容積中心に対する偏りを大きくすることによってタンブル流の形状を前記第２タンブル形状に変更することを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記タンブル流制御手段は、吸気行程において前記燃焼室内に流入する吸気の流量のうちで吸気ポートから前記燃焼室の中央部に向かう吸気の流量の割合を増加させることによってタンブル流の形状を前記第２タンブル形状に変更することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記吸気弁のリフト量を可変とする吸気可変動弁装置を更に備え、
   前記タンブル流制御手段は、前記燃焼室の中央側の部位を除いて前記吸気ポートの出口を取り囲むように前記燃焼室の壁面に形成された凸部を含み、
   前記タンブル流制御手段は、エンジン回転速度が高い場合にはエンジン回転速度が低い場合と比べて前記吸気弁のリフト量が小さくなるように前記吸気可変動弁装置を制御することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記吸気弁のリフト量を可変とする吸気可変動弁装置を更に備え、
   前記タンブル流制御手段は、前記燃焼室の中央側の部位において前記吸気ポートの出口を取り囲むように前記燃焼室の壁面に形成された凸部を含み、
   前記タンブル流制御手段は、エンジン回転速度が高い場合にはエンジン回転速度が低い場合と比べて前記吸気弁のリフト量が大きくなるように前記吸気可変動弁装置を制御することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記第２タンブル形状は、前記ガスの流れ方向の反転時期が前記点火プラグの点火時期よりも後となるものであり、
   前記吸気弁のリフト量が最大となるバルブリフト最大期間を可変とする吸気可変動弁装置を更に備え、
   前記タンブル流制御手段は、エンジン回転速度が高い場合にはエンジン回転速度が低い場合と比べて前記バルブリフト最大期間が短くなるように前記吸気可変動弁装置を制御することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の内燃機関の制御装置。

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