JP2015117602A - 火花点火式内燃機関の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、混合気の着火性向上に資する火花点火式内燃機関の制御システムを提供することを目的とする。
【解決手段】筒内にタンブル流が生成される火花点火式内燃機関１０を備える。混合気に点火するための点火プラグ３４と、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁３０とを備える。燃料噴射弁３０による微小噴射を利用してタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を変化させることで、点火時期における前記点火プラグの周囲のガス流速を制御する。
【選択図】図８

Description

この発明は、火花点火式内燃機関の制御システムに関する。

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２００８−３０３７９８号公報 特開２０１１−１９６２０８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、タンブル流の全体の流速が変化することになる。点火時期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。このことは、特に、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時において顕著となる。

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、混合気の着火性向上に資する火花点火式内燃機関の制御システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、火花点火式内燃機関の制御システムであって、
筒内にタンブル流が生成される火花点火式内燃機関の制御システムであって、
混合気に点火するための点火プラグと、
タンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を変化させることで、点火時期における前記点火プラグの周囲のガス流速を制御するガス流速制御手段と、
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、
前記ガス流速制御手段は、タンブル流の一部分の流速を高めることでタンブル流に強弱の分布を生成するタンブル流制御手段を含み、
前記ガス流速制御手段は、流速が高められたタンブル流の一部分がタンブル流の渦中心を間に介して前記点火プラグと反対側の反対位置に点火時期にて到達するように決定されるタイミングで、前記タンブル流制御手段によってタンブル流の一部分の流速を高めることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
噴流がタンブル流に沿うように燃料を筒内に噴射する燃料噴射弁をさらに備え、
前記タンブル流制御手段は、前記燃料噴射弁を用いて吸気行程もしくは圧縮行程中に燃料噴射を実行し、当該燃料噴射による燃料の噴流によってタンブル流の一部分の流速を高めることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記ガス流速制御手段は、点火時期におけるタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を前記点火プラグにより近づける場合に、前記燃料噴射による燃料の流量を多くすることを特徴とする。

また、第５の発明は、第３または第４の発明において、
前記ガス流速制御手段は、点火時期におけるタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を前記点火プラグにより近づける場合に、前記燃料噴射による燃料の圧力を高くすることを特徴とする。

また、第６の発明は、第３〜第５の発明の何れか１つにおいて、
前記ガス流速制御手段は、点火時期と、タンブル比と、前記燃料噴射による燃料の噴流によって流速が高められたタンブル流の一部分が点火時期において前記反対位置に到達するまでに要する噴流回転角度とに基づいて、前記燃料噴射の実行時期を決定することを特徴とする。

また、第７の発明は、第２の発明において、
噴流がタンブル流に沿うように既燃ガスを筒内に噴射する既燃ガス噴射弁をさらに備え、
前記タンブル流制御手段は、前記既燃ガス噴射弁を用いて吸気行程もしくは圧縮行程中に既燃ガス噴射を実行し、当該既燃ガス噴射による既燃ガスの噴流によってタンブル流の一部分の流速を高めることを特徴とする。

また、第８の発明は、第７の発明において、
前記ガス流速制御手段は、点火時期におけるタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を前記点火プラグにより近づける場合に、前記既燃ガス噴射による既燃ガスの流量を多くすることを特徴とする。

また、第９の発明は、第７または第８の発明において、
前記ガス流速制御手段は、点火時期におけるタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を前記点火プラグにより近づける場合に、前記既燃ガス噴射による既燃ガスの圧力を高くすることを特徴とする。

また、第１０の発明は、第７〜第９の発明の何れか１つにおいて、
前記ガス流速制御手段は、点火時期と、タンブル比と、前記既燃ガス噴射による既燃ガスの噴流によって流速が高められたタンブル流の一部分が点火時期において前記反対位置に到達するまでに要する噴流回転角度とに基づいて、前記既燃ガス噴射の実行時期を決定することを特徴とする。

第１の発明によれば、エンジン回転速度によらずに、点火時期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抑えることができる。このため、混合気の着火性を向上させることができる。

第２の発明によれば、エンジン回転速度が上昇しても、点火時期における点火プラグの周囲のガス流速が過剰に高くなることを抑制することができる。

第３の発明によれば、筒内に噴射する燃料の噴流を利用して、タンブル流の一部分の流速を高めることができる。

第４の発明によれば、上記燃料噴射による燃料の流量を変更することにより、点火プラグに対するタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を調整できるようになる。これにより、点火時期における点火プラグの周囲のガス流速をより効果的に制御することができる。

第５の発明によれば、上記燃料噴射による燃料の圧力を変更することにより、点火プラグに対するタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を調整できるようになる。これにより、点火時期における点火プラグの周囲のガス流速をより効果的に制御することができる。

第６の発明によれば、流速が高められたタンブル流の一部分がタンブル流の渦中心を間に介して点火プラグと反対側の反対位置に点火時期にて到達するようにするための燃料噴射の実行時期を適切に決定することができる。

第７の発明によれば、筒内に噴射する既燃ガスの噴流を利用して、タンブル流の一部分の流速を高めることができる。

第８の発明によれば、上記燃料噴射による既燃ガスの流量を変更することにより、点火プラグに対するタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を調整できるようになる。これにより、点火時期における点火プラグの周囲のガス流速をより効果的に制御することができる。

第９の発明によれば、上記燃料噴射による既燃ガスの圧力を変更することにより、点火プラグに対するタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を調整できるようになる。これにより、点火時期における点火プラグの周囲のガス流速をより効果的に制御することができる。

第１０の発明によれば、流速が高められたタンブル流の一部分がタンブル流の渦中心を間に介して点火プラグと反対側の反対位置に点火時期にて到達するようにするための既燃ガス噴射の実行時期を適切に決定することができる。

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。 燃料噴射弁による燃料の噴射角度と、微小噴射の燃料噴射時期ＩＴとを説明するための図である。 燃料の微小噴射によりタンブル流に生成される強弱の分布を表した図である。 本発明の実施の形態１における燃料噴射時期ＩＴの具体的な設定例を表した図である。 本発明の実施の形態１のガス流速制御が実行されていない場合の点火時期での気流分布（Ａ）とプラグ近傍流速の波形（Ｂ）を含む図である。 本発明の実施の形態１のガス流速制御が実行されている場合の点火時期での気流分布（Ａ）とプラグ近傍流速の波形（Ｂ）を含む図である。 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。 エンジン回転速度と微小噴射量との関係を表した図である。 本発明の実施の形態２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。 燃料噴射弁による燃料の噴射角度と、微小噴射の燃料噴射時期ＩＴとを説明するための図である。 燃料の微小噴射によりタンブル流に生成される強弱の分布を表した図である。 本発明の実施の形態２における燃料噴射時期ＩＴの具体的な設定例を表した図である。 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。 既燃ガスの微小噴射によりタンブル流に生成される強弱の分布を表した図である。 既燃ガスを利用した微小噴射が行われた場合における点火時期での筒内の気流分布を表した図である。

実施の形態１．
（実施の形態１の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。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。燃料噴射弁３０は、図１に示すように、燃焼室１４の吸気弁２６側の端部（シリンダの側壁近傍の部位）においてシリンダヘッド３１に配置されている。各気筒の燃料噴射弁３０には、高圧燃料ポンプ３２によって加圧された燃料が供給されるようになっている。噴射燃料の流量は、所定の燃料圧力下で燃料噴射弁３０の開弁期間を制御することによって調整することができ、燃料噴射弁３０による燃料の噴射圧は、高圧燃料ポンプ３２の吐出流量を制御することによって調整することができる。また、各気筒内には、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３４が設けられている。より具体的には、点火プラグ３４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、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３４を間に介して）隣り合うように２つ備えられているものとする。

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３６を備えている。ＥＧＲ通路３６の途中には、ＥＧＲ通路３６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３８が配置されている。このＥＧＲバルブ３８の開度を変えることにより、ＥＧＲ通路３６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４０が配置されている。空燃比センサ４０よりも下流側の排気通路１８には、排気浄化触媒（例えば、三元触媒）４２が配置されている。

更に、図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０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４０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５２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、ＥＣＵ５０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、高圧燃料ポンプ３２、上記点火装置およびＥＧＲバルブ３８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。ＥＣＵ５０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、後述するガス流速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期で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３４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（すなわち、混合気の着火性の悪化（具体的には、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。なお、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、点火時期の点火プラグ３４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、点火時期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３４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、点火時期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、エンジン回転速度に比例して単調に増加する。このため、低エンジン回転速度領域においてプラグ近傍流速が良好に確保されるようにタンブル比を設定すると、高エンジン回転速度領域では、プラグ近傍流速が過大となってしまう。

（実施の形態１における点火時期におけるプラグ近傍流速の制御）
本実施形態では、リーンバーン運転に適した所定の着火最適範囲（図２に示す流速範囲）内のプラグ近傍流速が低エンジン回転速度領域において点火時期にて得られるようにするために、ＴＣＶ２４を用いてベースのタンブル比ＴＲが設定されている。ここでいうベースのタンブル比ＴＲとは、基本的に、エンジン回転速度の高低に依らずに一律で使用される値である。

そのうえで、上記の課題を解決するために、本実施形態では、ベースのタンブル比ＴＲによって筒内にタンブル流が生成されている状況下においてプラグ近傍流速の過大化により混合気の着火性悪化が見込まれる場合に、筒内に直接燃料を噴射可能な燃料噴射弁３０を用いて次のような燃料噴射を行うこととした。すなわち、吸気行程もしくは圧縮行程中の所定の燃料噴射時期ＩＴでの少量の燃料噴射（以下、「微小噴射」と称する）によって、タンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を変化させることで、点火時期におけるプラグ近傍流速を制御することとした。

図４は、燃料噴射弁３０による燃料の噴射角度と、微小噴射の燃料噴射時期ＩＴとを説明するための図である。図５は、燃料の微小噴射によりタンブル流に生成される強弱の分布を表した図である。

本実施形態の微小噴射は、必要とするトルクを得るための燃料噴射量の一部を使用して行われる分割噴射である。このような微小噴射が行われていない場合には、タンブル流の渦中心位置（図４中に示す既存の渦中心位置）は、ピストン１２の頂面とシリンダヘッド３１の端面との距離であるピストン高さの２分の１となる位置に存在する。この関係はピストン１２が上昇していく過程でも維持される。

燃料噴射弁３０は、気筒中心軸方向に向けて燃料を噴射するように配置されている。そのうえで、図４に示すように、気筒中心軸方向においては、噴射方向を示す仮想線と気筒中心軸線との交点が、微小噴射の実行時にタンブル流の渦中心よりも気筒中心軸方向の上側の位置（点火プラグ３４側の位置）に存在するように、燃料噴射弁３０による燃料の噴射角度が設定されている。タンブル流の渦中心よりも気筒中心軸方向の上側の位置に噴流が到達するタイミングであるという条件を満たす燃料噴射時期ＩＴにて微小噴射を行うことで、燃料の噴流がタンブル流に沿って流れるようになる。より具体的には、上述したようにピストン１２の昇降に対してタンブル流の渦中心はピストン高さの２分の１となる位置を維持するので、燃料噴射弁３０の噴射角度（図４中の水平線に対する噴射方向の傾斜角度θ）に応じて、上記交点が渦中心よりも上側となる条件を満たすクランク角期間が特定される。具体的には、傾斜角度θが大きくなるほど、当該クランク角期間が短くなる。燃料噴射時期ＩＴは、後述のように、このように特定されたクランク角期間内の所定時期（吸気行程もしくは圧縮行程中の所定時期）とされる。

燃料噴射時期ＩＴでの微小噴射によれば、図５に示すように、燃料の噴流によってタンブル流の一部分の流速が高められるので、タンブル流に強弱の分布が生成される。燃料噴射時期ＩＴは、生成された流速の高いタンブル流の一部分が回転し、点火時期においてタンブル流の渦中心を間に介して点火プラグ３４と反対側の反対位置（すなわち、ピストン１２の頂面側の位置）に当該一部分を到達させられるタイミングとして決定される。本実施形態の内燃機関１０のように燃料噴射弁３０をシリンダの側壁近傍の部位に備えている場合には、少量の燃料噴射による燃料の噴流によって流速が高められたタンブル流の一部分が点火時期において上記反対位置に到達するまでに要する噴流回転角度Δθは、図５中に示すように１８０°程度となる。流速の高いタンブル流の一部分を上記のように動作させるために要求される燃料噴射時期ＩＴは、点火時期ＳＡと、ベースのタンブル比ＴＲと、噴流回転角度Δθとに基づいて次のように設定することができる。

燃料噴射時期ＩＴから点火時期ＳＡ（適合値）までのクランク角期間をΔＴとすると、ΔＴは、次の（１）式のように表される。上記の噴流回転速度Δθは、クランク角期間ΔＴ中にタンブル流が回転する角度に相当する値であり、タンブル比ＴＲとクランク角期間ΔＴとを用いて次の（２）式のように表すことができる。ここで、タンブル比ＴＲは、クランク軸が１回転する際にタンブル流が１回転した際に１となる指標値である。（２）式の関係を考慮して（１）式を変形することで、燃料噴射時期ＩＴは、点火時期ＳＡとタンブル比ＴＲと噴流回転角度Δθとに基づいて次の（３）式のように表すことができる。

本実施形態では、タンブル流を利用して噴流回転角度Δθが１８０°となるように燃料噴射時期ＩＴを決定する。ここで、噴流回転角度Δθが同じ値であっても、（２）式から分かるようにベースのタンブル比ＴＲによってクランク角期間ΔＴが変化し、そして、（３）式から分かるようにタンブル比ＴＲと点火時期ＳＡとによって燃料噴射時期ＩＴが変化する。

図６は、本発明の実施の形態１における燃料噴射時期ＩＴの具体的な設定例を表した図である。ここでは、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）を指標としてクランク角度（ｄｅｇ）を扱う。このことは、後述の図１４も同様である。
図６は、点火時期ＳＡを一例として４０ＢＴＤＣとした場合におけるタンブル比ＴＲに応じた燃料噴射時期ＩＴの算出結果を表している。より具体的には、タンブル比ＴＲが１であれば、（２）式より噴流回転角度Δθが１８０°であるときのクランク角期間ΔＴは１８０°となり、したがって、（１）もしくは（３）式より燃料噴射時期ＩＴは２２０ＢＴＤＣとなる。同様に、タンブル比ＴＲが１．５の場合には、クランク角期間ΔＴは１２０°となるので、燃料噴射時期ＩＴは１６０ＢＴＤＣとなる。同様に、タンブル比ＴＲが２であれば、クランク角期間ΔＴは９０°となるので、燃料噴射時期ＩＴは１３０ＢＴＤＣとなる。

ただし、図４を参照して上述したように、燃料の噴流がタンブル流に沿って流れるという条件を満たすクランク角期間は、噴射角度θ次第で変化する。この条件を満たすクランク角期間内に噴流回転角度Δθが５４０°（すなわち、上記１８０°に対してタンブル流がもう１回転した時の回転角度）となる条件を満たす燃料噴射時期ＩＴが存在する場合には、そのような燃料噴射時期ＩＴを使用することとしてもよい。図６に示す例では、タンブル比ＴＲが２の場合には、噴流回転角度Δθが５４０°となるときのクランク角期間ΔＴの値である２７０°に対応する燃料噴射時期ＩＴを、吸気行程中の時期である３１０ＢＴＤＣとして算出することができる。したがって、噴射角度θ次第では、この時期を燃料噴射時期ＩＴとして用いてもよい。

図７は、対比のために参照する図であり、本発明の実施の形態１のガス流速制御が実行されていない場合の点火時期での気流分布（Ａ）とプラグ近傍流速の波形（Ｂ）を含む図である。図８は、本発明の実施の形態１のガス流速制御が実行されている場合の点火時期での気流分布（Ａ）とプラグ近傍流速の波形（Ｂ）を含む図である。なお、図７（Ｂ）および図８（Ｂ）中のプラグ近傍流速は、吸気側から排気側に向かうガスの流速を正としている。

本実施形態の微小噴射によれば、上述したように、タンブル流の一部分の流速を高めることでタンブル流に強弱の分布を生成することができる。微小噴射を行わない場合には、一般的に点火時期ＳＡが設定される時期（圧縮上死点よりも所定期間進角した時期）では、図７（Ａ）に示すようにタンブル流の渦中心は点火プラグよりも下側（ピストン側）に位置する。

本件の発明者は、流速の高いタンブル流の一部分を点火時期において上記反対位置（すなわち、ピストン１２の頂面側の位置）に到達させられる燃料噴射時期ＩＴで微小噴射を実行することで、図７（Ａ）と図８（Ａ）とを比較すると分かるように、当該微小噴射を行わない場合と比べて点火時期におけるタンブル流の渦中心位置を上側（すなわち、点火プラグ３４側）に変化させられることを見出した。そこで、本実施形態では、混合気の着火性悪化が懸念される領域では、上述した燃料噴射時期ＩＴにて微小噴射を実行することとした。

図７（Ｂ）と図８（Ｂ）とを比較すると分かるように、微小噴射によってタンブル流の渦中心位置を上げて点火プラグ３４に近づけることにより、プラグ近傍流速の減衰時期を進角させることができる。これにより、点火時期におけるプラグ近傍流速を下げることができる。このため、図７（Ｂ）に示すように何らの対策がないと点火時期におけるプラグ近傍流速が着火最適範囲を外れてしまうような高エンジン回転速度時であっても、図８（Ｂ）に示すように点火時期における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ようになる。

微小噴射の量を増やし過ぎると、タンブル流自体が増速してしまう。したがって、本実施形態で用いられる微小噴射の量は、タンブル流自体を増速させるものではなく、あくまでもタンブル流の一部分の流速を高められるだけの少量として事前に実験等により定められた値とされる。本件の発明者は、タンブル流全体ではなくタンブル流の一部分の流速を高められる少量の範囲内では微小噴射の量をより多くするほど、タンブル流に対して程度のより大きな強弱の分布を生成してタンブル流の渦中心位置をより上げられる（すなわち、渦中心を点火プラグ３４により近づけられる）ようになることをさらに見出した。そこで、本実施形態では、混合気の着火性悪化が懸念される領域では、エンジン回転速度が高いほど、微小噴射による燃料噴射量をより多くすることとした。

（実施の形態１における具体的処理）
図９は、本発明の実施の形態１に係るガス流速制御を実現するために、ＥＣＵ５０が実行するルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、各気筒においてサイクル毎に繰り返し実行されるものとする。

図９に示すルーチンでは、ＥＣＵ５０は、先ず、エンジン回転速度とエンジン負荷率と空燃比とを取得する（ステップ１００）。エンジン回転速度はクランク角センサ５２を用いて算出することができ、エンジン負荷率はエアフローメータ２０により計測される吸入空気量とエンジン回転速度とに基づいて算出することができる。空燃比は空燃比センサ４０を用いて検出することができる。

次に、ＥＣＵ５０は、要求点火時期ＳＡを取得する（ステップ１０２）。ＥＣＵ５０は、エンジン回転速度、エンジン負荷率および空燃比との関係で要求点火時期ＳＡを予め定めたマップ（図示省略）を記憶しており、本ステップ１０２ではそのようなマップを参照して要求点火時期ＳＡが取得される。

次に、ＥＣＵ５０は、エンジン回転速度と要求点火時期ＳＡとに基づいて、点火時期におけるプラグ近傍流速を推定する（ステップ１０４）。図８（Ｂ）等に示すように、プラグ近傍流速はエンジン回転速度だけでなく時期に応じても変化する。ここでは、ＥＣＵ５０はエンジン回転速度と要求点火時期ＳＡとの関係で点火時期におけるプラグ近傍流速を予め定めたマップ（図示省略）を記憶しているものとする。このようなマップを参照することで、点火時期におけるプラグ近傍流速を算出することができる。

次に、ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の運転領域が着火性悪化領域にあるか否かを判定する（ステップ１０６）。具体的には、点火時期におけるプラグ近傍流速が所定の判定値よりも高いか否かが判定される。ここでいう判定値は、図８（Ｂ）等に示す着火最適範囲の上限値に該当する値である。

ステップ１０６の判定が成立する場合、すなわち、点火時期におけるプラグ近傍流速が過大であると判断できる場合には、ＥＣＵ５０は、次いで、ベースのタンブル比ＴＲを取得する（ステップ１０８）。ここでいうベースのタンブル比ＴＲとは、エンジン回転速度に関係なく一定の値として事前に決定された値である。ただし、本実施形態の微小噴射は、エンジン回転速度などの各種運転条件に応じてタンブル比ＴＲが変更されるシステムに対しても適用可能である。

次に、ＥＣＵ５０は、微小噴射の燃料噴射時期ＩＴを決定する（ステップ１１０）。燃料噴射時期ＩＴは、既述した手法を用いて、要求点火時期ＳＡとベースのタンブル比ＴＲと噴流回転角度Δθとに基づいて算出される。噴流回転角度Δθは、燃料噴射弁３０の搭載位置および噴射角度を考慮して事前に決定された値（本実施形態では、１８０°）である。

次に、ＥＣＵ５０は、微小噴射による燃料量である微小噴射量を算出する（ステップ１１２）。図１０は、エンジン回転速度と微小噴射量との関係を表した図である。図１０に示すように、微小噴射量は、着火性悪化領域において、エンジン回転速度が高いほど多くなるように設定されている。ＥＣＵ５０は図１０に示すような関係を予め定めたマップを記憶しており、本ステップ１１２ではそのようなマップを参照してエンジン回転速度に応じた微小噴射量が算出される。なお、今回のサイクルにおいて内燃機関１０に要求されたトルクを得るための燃料噴射量は、算出された微小噴射量分を差し引いた値とすることが好適である。

次に、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ５２を用いて燃料噴射時期ＩＴが到来したか否かを判定する（ステップ１１４）。その結果、本ステップ１１４の判定が成立する場合には、ＥＣＵ５０は微小噴射を実行する（ステップ１１６）。

以上説明した図１０に示すルーチンによれば、点火時期におけるプラグ近傍流速が過大となる着火性悪化領域では、微小噴射が実行される。これにより、微小噴射による燃料の噴流を利用して、タンブル流の一部分の流速を高めてタンブル流に強弱の分布を生成することができる。そして、上述した燃料噴射時期ＩＴでの微小噴射によってタンブル流に強弱の分布を生成することで、点火時期におけるタンブル流の渦中心位置を微小噴射の非実行時と比べて点火プラグ３４に近づけることができる。このように、微小噴射によれば、タンブル流の渦中心を変化させることで点火時期における筒内の気流分布を変えることができる。その結果、高エンジン回転速度時であっても、点火時期におけるプラグ近傍流速が過剰に高くなるのを抑制することができる。これにより、エンジン回転速度の高低によらずに点火時期におけるプラグ近傍流速を着火最適範囲内に制御できるようになる。このため、リーンバーン運転時の着火性を向上させることができる。

また、本実施形態の微小噴射は、タンブル流の全体を増速させるほどの量で得られるものではない。すなわち、筒内のタンブル比を変えることなく、点火時期におけるプラグ近傍流速を変化させられる。このため、燃焼速度の支配的因子である筒内気流の乱れ強度を維持しながら当該プラグ近傍流速を制御できるようになる。また、このように少量の燃料噴射であることで、ガス流速制御のための燃料噴射による筒内の混合気の均質度を悪化させることもない。

既述したように、点火時期におけるプラグ近傍流速は、上記微小噴射のような特別な制御が行われないと、エンジン回転速度が高いほど高くなってしまうものである。上記ルーチンによれば、着火性悪化領域内においてエンジン回転速度が高いほど、微小噴射量が増やされる。これにより、エンジン回転速度が高いほど、タンブル流の渦中心の変化度合いを大きくし、渦中心を点火プラグ３４により近づけることができる。その結果、点火時期におけるプラグ近傍流速の低減量を大きくすることができるので、エンジン回転速度の高低によらずに点火時期におけるプラグ近傍流速をより確実に着火最適範囲内に制御できるようになる。

ところで、上述した実施の形態１においては、着火性悪化領域にてエンジン回転速度が高いほど微小噴射量を多くすることとしている。微小噴射の増量に代えて、微小噴射により噴射される燃料の圧力（噴射圧）を高めることによっても、同様に、タンブル流の一部分をより強化することができる。そして、その結果として、程度のより大きな強弱の分布をタンブル流に生成させることができるので、タンブル流の渦中心をより上げて点火プラグ３４により近づけられるようになる。したがって、着火性悪化領域では、微小噴射の増量に代え、あるいはそれとともに、エンジン回転速度が高いほど微小噴射による燃料の圧力を高めるようにしてもよい。

なお、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が上記図９に示すルーチンの一連の処理を実行することにより前記第１の発明における「ガス流速制御手段」および前記第２の発明における「タンブル流制御手段」がそれぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図１１〜図１４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

（実施の形態１のシステム構成の説明）
図１１は、本発明の実施の形態２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。なお、図１１において、上記図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、筒内直接噴射式の燃料噴射弁６２の搭載位置が燃料噴射弁３０と異なる点を除き、実施の形態１の内燃機関１０と同様に構成されている。より具体的には、燃料噴射弁６２は、点火プラグ３４に近接する位置において燃焼室１４の上壁面の中央部付近に配置されている。

（実施の形態２における点火時期におけるプラグ近傍流速の制御）
図１２は、燃料噴射弁６２による燃料の噴射角度と、微小噴射の燃料噴射時期ＩＴとを説明するための図である。図１３は、燃料の微小噴射によりタンブル流に生成される強弱の分布を表した図である。

本実施形態においても、点火時期におけるプラグ近傍流速の制御のために、実施の形態１と同様の思想での微小噴射が利用される。燃焼室１４の中央に配置された燃料噴射弁６２では、図１２に示すように気筒中心軸に対して排気側の空間に向けて燃料噴射がなされるように噴射角度が設定されている。このように噴射角度を設定しておくことで、噴射時期によらずに燃料の噴流がタンブル流に沿って流れるようになる。

燃焼室１４の中央に配置された燃料噴射弁６２では、微小噴射による燃料の噴流によって流速が高められたタンブル流の一部分が点火時期において上記反対位置（ピストン１２の頂面側の位置）に到達するまでに要する噴流回転角度Δθは、図１３中に示すように９０°程度となる。したがって、本実施形態で用いる燃料噴射時期ＩＴは、噴流回転角度Δθが９０°もしくは４５０°（９０°に対してタンブル流がもう１回転した時の回転角度）となるように決定される。

図１４は、本発明の実施の形態２における燃料噴射時期ＩＴの具体的な設定例を表した図である。
図１４は、点火時期ＳＡを一例として４０ＢＴＤＣとした場合におけるタンブル比ＴＲに応じた燃料噴射時期ＩＴの算出結果を表している。より具体的には、実施の形態１で上述した内容と同様の考えに基づき、タンブル比ＴＲが１であれば、噴流回転角度Δθが９０°であるときのクランク角期間ΔＴには９０°が該当し、したがって、燃料噴射時期ＩＴは１３０ＢＴＤＣとなる。同様に、タンブル比ＴＲが１．５の場合には、噴流回転角度Δθが９０°となるときのクランク角期間ΔＴには６０°が該当し、噴流回転角度Δθが４５０°となるときのクランク角期間ΔＴには３００°が該当する。したがって、燃料噴射時期ＩＴは１００ＢＴＤＣ（圧縮行程中の時期）もしくは３４０ＢＴＤＣ（吸気行程中の時期）となる。そして、タンブル比ＴＲが２の場合には、同様に、噴流回転角度Δθが９０°となるときのクランク角期間ΔＴには４５°が該当し、噴流回転角度Δθが４５０°となるときのクランク角期間ΔＴには２２５°が該当する。したがって、燃料噴射時期ＩＴは８５ＢＴＤＣ（圧縮行程中の時期）もしくは２６５ＢＴＤＣ（吸気行程中の時期）となる。

（実施の形態２の具体的処理）
本実施形態におけるガス流速制御は、噴流回転角度Δθとして９０°（もしくは４５０°）を用いる点以外は実施の形態１のガス流速制御と同様である。したがって、噴流回転角度Δθとして１８０°に代えて９０°（もしくは４５０°）を用いて燃料噴射時期ＩＴを決定するようにステップ１１２の処理を修正したうえで、実施の形態１の図１０に示すルーチンと同様のルーチンの処理をＥＣＵ５０に実行させることにより、本実施形態のガス流速制御を実現することができる。そして、本ガス流速制御によっても、実施の形態１のものと同様の効果が得られる。

実施の形態３．
次に、図１５〜図１７を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。

（実施の形態３のシステム構成の説明）
図１５は、本発明の実施の形態３の内燃機関７０のシステム構成を説明するための模式図である。なお、図１５中に表れている構成要素であって上記図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。また、内燃機関７０のシステムは、図１５中に表れていない構成要素であって上記図１に示す構成要素についても同様に備えているものとする。

本実施形態の内燃機関７０は、図１５に示すように、既燃ガス（すなわち、ＥＧＲガス）を筒内に噴射する既燃ガス噴射弁７２を各気筒に対して備えている。既燃ガス噴射弁７２の搭載場所は、実施の形態１の燃料噴射弁３０のように燃焼室１４の吸気弁２６側の端部であってもよいし、あるいは、実施の形態２の燃料噴射弁６２のように燃焼室１４の上壁面の中央部であってもよい。

内燃機関７０は、各気筒の既燃ガス噴射弁７２に対して高圧の既燃ガスを供給するための既燃ガス供給通路７４を備えている。既燃ガス供給通路７４は、排気浄化触媒４２よりも下流側の排気通路１８に接続されている。既燃ガス供給通路７４の途中には、圧縮行程中に筒内に噴射可能な程度の圧力となるように既燃ガスを圧縮するコンプレッサ７６が設置されている。既燃ガス噴射弁７２およびコンプレッサ７６はＥＣＵ５０によって制御される。

（実施の形態３における点火時期におけるプラグ近傍流速の制御）
図１６は、既燃ガスの微小噴射によりタンブル流に生成される強弱の分布を表した図である。
本実施形態では、点火時期におけるプラグ近傍流速の制御のために、図１６に示すように、既燃ガス噴射弁７２を利用して、既燃ガスの噴流がタンブル流に沿うように既燃ガスの微小噴射を行うこととしている。このための燃料噴射時期ＩＴおよび噴射角度の設定に関しては実施の形態１および２で上述したものと同様である。すなわち、図１６は、既燃ガス噴射弁７２が燃焼室１４における吸気弁２６側の端部に搭載されている構成を例示したものであるため、この場合には、噴流回転角度Δθとしては１８０°（噴射角度θ次第では５４０°も含まれる）が使用される。なお、既燃ガス噴射弁７２が燃焼室１４の中央部に搭載されている場合には、噴流回転角度Δθとしては、実施の形態２と同様に９０°（もしくは４５０°）が使用されることになる。

既燃ガスによる微小噴射量は、実施の形態１等での燃料の場合と同様に、エンジン回転速度が高いほど、増やされる。また、実施の形態１等と同様に、微小噴射量を増やすことに代え、あるいはそれとともに、エンジン回転速度が高いほど、既燃ガスの噴射圧を高めるようにしてもよい。

図１７は、既燃ガスを利用した微小噴射が行われた場合における点火時期での筒内の気流分布を表した図である。
微小噴射による既燃ガスの噴流によってタンブル流の一部分の流速が高められると、当該一部分は上記図１６に示すようにＥＧＲガス層となる。その結果、点火時期においては、図１７に示すように、タンブル流の渦中心を実施の形態１等と同様に上側に変化させられるのと同時に、上記一部分（すなわち、ＥＧＲガス層）を点火プラグ３４から離れたピストン１２の頂面側の領域に配置させることができる。これにより、いわゆるＥＧＲ成層燃焼を行えるようになる。このため、既燃ガスを利用した微小噴射によれば、タンブル流の渦中心を変化させることによって点火時期におけるプラグ近傍流速を制御しつつ、ＥＧＲ成層燃焼による冷却損失の低減によって熱効率を改善することができる。

（実施の形態３における具体的処理）
本実施形態のガス流速制御は、燃料に代えて既燃ガスを利用しているという点を除き、基本的に実施の形態１および２のガス流速制御と同様の処理（すなわち、図１０に示すルーチンと同様の処理）をＥＣＵ５０に実行させることにより実現可能なものである。

ところで、上述した実施の形態３においては、燃料に代えて既燃ガスを利用した微小噴射を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明におけるガス流速制御には、例えば、既燃ガスの代わりに新気を利用した微小噴射を行うものであってもよい。

以上説明した実施の形態１〜３においては、点火時期におけるプラグ近傍流速が着火性に影響を受け易いリーンバーン運転時に対して本発明における特徴的なガス流速制御を適用した例について説明を行った。しかしながら、本発明のガス流速制御は、リーンバーン運転時に適用されるものに必ずしも限定されるものではなく、例えば、理論空燃比で運転される内燃機関に対して適用してもよい。

１０、６０、７０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ 吸気通路
１６ａ 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、６２ 燃料噴射弁
３１ シリンダヘッド
３２ 高圧燃料ポンプ
３４ 点火プラグ
３６ ＥＧＲ通路
３８ ＥＧＲバルブ
４０ 空燃比センサ
４２ 排気浄化触媒
５０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
５２ クランク角センサ
７２ 既燃ガス噴射弁
７４ 既燃ガス供給通路
７６ コンプレッサ

Claims (10)

1. 筒内にタンブル流が生成される火花点火式内燃機関の制御システムであって、
   混合気に点火するための点火プラグと、
   タンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を変化させることで、点火時期における前記点火プラグの周囲のガス流速を制御するガス流速制御手段と、
   を備えることを特徴とする火花点火式内燃機関の制御システム。
2. 前記ガス流速制御手段は、タンブル流の一部分の流速を高めることでタンブル流に強弱の分布を生成するタンブル流制御手段を含み、
   前記ガス流速制御手段は、流速が高められたタンブル流の一部分がタンブル流の渦中心を間に介して前記点火プラグと反対側の反対位置に点火時期にて到達するように決定されるタイミングで、前記タンブル流制御手段によってタンブル流の一部分の流速を高めることを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の制御システム。
3. 噴流がタンブル流に沿うように燃料を筒内に噴射する燃料噴射弁をさらに備え、
   前記タンブル流制御手段は、前記燃料噴射弁を用いて吸気行程もしくは圧縮行程中に燃料噴射を実行し、当該燃料噴射による燃料の噴流によってタンブル流の一部分の流速を高めることを特徴とする請求項２に記載の火花点火式内燃機関の制御システム。
4. 前記ガス流速制御手段は、点火時期におけるタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を前記点火プラグにより近づける場合に、前記燃料噴射による燃料の流量を多くすることを特徴とする請求項３に記載の火花点火式内燃機関の制御システム。
5. 前記ガス流速制御手段は、点火時期におけるタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を前記点火プラグにより近づける場合に、前記燃料噴射による燃料の圧力を高くすることを特徴とする請求項３または４に記載の火花点火式内燃機関の制御システム。
6. 前記ガス流速制御手段は、点火時期と、タンブル比と、前記燃料噴射による燃料の噴流によって流速が高められたタンブル流の一部分が点火時期において前記反対位置に到達するまでに要する噴流回転角度とに基づいて、前記燃料噴射の実行時期を決定することを特徴とする請求項３〜５の何れか１つに記載の火花点火式内燃機関の制御システム。
7. 噴流がタンブル流に沿うように既燃ガスを筒内に噴射する既燃ガス噴射弁をさらに備え、
   前記タンブル流制御手段は、前記既燃ガス噴射弁を用いて吸気行程もしくは圧縮行程中に既燃ガス噴射を実行し、当該既燃ガス噴射による既燃ガスの噴流によってタンブル流の一部分の流速を高めることを特徴とする請求項２に記載の火花点火式内燃機関の制御システム。
8. 前記ガス流速制御手段は、点火時期におけるタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を前記点火プラグにより近づける場合に、前記既燃ガス噴射による既燃ガスの流量を多くすることを特徴とする請求項７に記載の火花点火式内燃機関の制御システム。
9. 前記ガス流速制御手段は、点火時期におけるタンブル流の渦中心の気筒中心軸方向の位置を前記点火プラグにより近づける場合に、前記既燃ガス噴射による既燃ガスの圧力を高くすることを特徴とする請求項７または８に記載の火花点火式内燃機関の制御システム。
10. 前記ガス流速制御手段は、点火時期と、タンブル比と、前記既燃ガス噴射による既燃ガスの噴流によって流速が高められたタンブル流の一部分が点火時期において前記反対位置に到達するまでに要する噴流回転角度とに基づいて、前記既燃ガス噴射の実行時期を決定することを特徴とする請求項７〜９の何れか１つに記載の火花点火式内燃機関の制御システム。

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