JP2017133402A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】いわゆる均質リーン燃焼による運転を行う内燃機関において加速等により発生した駆動系の捩り振動を低減できるようにする。【解決手段】内燃機関の制御装置は、エンジン回転速度に基づいて推定トルクを演算し、推定トルクの目標トルクに対する過剰と不足が交互に繰り返されるトルク変動の発生を検知する。そして、均質リーン燃焼を行うリーン運転領域においてトルク変動の発生が検知された場合、制御装置は、推定トルクが目標トルクに対して不足しているサイクルにおいて、推定トルクの目標トルクに対する不足を補うための補正燃料を筒内噴射弁に圧縮行程で噴射させる。【選択図】図４

Description

本発明は、少なくとも筒内噴射弁を備える火花点火式の内燃機関に関し、詳しくは、遅くとも吸気行程の終わりまでに燃焼室内に燃料を供給することによって均質な混合気によるリーン燃焼を実現するように構成された内燃機関に関する。

特開２００２−３４９３３２号公報に記載されているように、例えば車両の加速時において、駆動系に捩り振動が発生することが知られている。この捩り振動は乗員に不快感を与えるものであるから、それを低減することが求められる。前記公報には、捩り振動を低減する従来技術の一つの例が開示されている。前記公報に開示された従来技術によれば、捩り振動によるトルクの山を打ち消すように、点火時期を遅角してトルクを減少させ、また、トルクの谷を埋めるように、燃料噴射量を増量してトルクを増大させることが行われる。つまり、従来技術は、捩り振動によるトルクの変化とは逆位相でトルクを減少及び増大させることによって、捩り振動を低減することを目指している。なお、トルクショックを低減するために点火時期を遅角させることは、例えば、特開２０００−１７０５８７号公報にも開示されている通り広く知られた技術である。

特開２００２−３４９３３２号公報 特開２０００−１７０５８７号公報

ところで、内燃機関の燃費性能を向上させる技術として、理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比の混合気を燃焼させて運転するリーン燃焼運転が知られている。リーン燃焼には、大きく分けて、点火プラグの周囲に燃料濃度の濃い層を形成して燃焼させるいわゆる成層リーン燃焼と、予混合により燃料と空気とを均質に混合させて燃焼させるいわゆる均質リーン燃焼とがある。成層リーン燃焼では、筒内噴射弁による圧縮行程での燃料噴射が行われる。これに対して、均質リーン燃焼では、遅くとも吸気行程の終わりまでに燃料を燃焼室内に供給するように、ポート噴射弁による燃料噴射、或いは、筒内噴射弁による吸気行程での燃料噴射、或いは、それらを組み合わせた燃料噴射が行われる。エミッション性能の観点からは、燃料と空気との均質な混合によって斑のない燃焼を実現可能な均質リーン燃焼のほうがより好ましい。

駆動系の捩り振動は、均質リーン燃焼を行う内燃機関を搭載した車両にも発生し得る。しかし、捩り振動を低減するための上記従来技術は、均質リーン燃焼を行う内燃機関には適していない。なぜなら、均質リーン燃焼は良好な燃焼を担保できる点火時期の範囲が狭く、トルクを減少させる手段に点火時期の遅角を用いることは難しいからである。燃料の増量によってトルクを増大させることは均質リーン燃焼においても可能であるが、燃料を噴射してから点火が行われるまでの時間が長いため、点火時期の遅角に比べると応答良くトルクを変化させることができない。つまり、単に燃料を増量するだけでは捩り振動をうまく低減することは難しい。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、遅くとも吸気行程の終わりまでに燃焼室内に燃料を供給することによって均質な混合気によるリーン燃焼を実現する内燃機関において、加速等により発生した駆動系の捩り振動を低減できるようにすることを目的とする。

本発明に係る内燃機関は、少なくとも筒内噴射弁を有し、第１の運転領域では遅くとも吸気行程の終わりまでに燃料を燃焼室内に供給することによってリーン燃焼を実現するように構成された火花点火式の内燃機関であって、少なくとも筒内噴射弁を操作する制御装置を備える。

本発明に係る内燃機関を構成する制御装置は、エンジン回転速度に基づいて推定トルクを演算すること、推定トルクの目標トルクに対する過剰と不足が交互に繰り返されるトルク変動の発生を検知すること、及び、第１の運転領域においてトルク変動の発生が検知された場合、推定トルクが目標トルクに対して不足しているサイクルにおいて、推定トルクの目標トルクに対する不足を補うための補正燃料を筒内噴射弁に圧縮行程で噴射させること、を行うように構成される。

吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁を内燃機関が有しているのであれば、制御装置は、第１の運転領域では、目標トルクに応じて決まる主燃料の全てをポート噴射弁に噴射させるか、或いは、主燃料のうちの所定割合の燃料をポート噴射弁に噴射させ、残りの燃料を筒内噴射弁に吸気行程で噴射させるように構成されてもよい。また、ポート噴射弁の有無に関わらず、制御装置は、第１の運転領域では、目標トルクに応じて決まる主燃料を筒内噴射弁に吸気行程で噴射させるように構成されてもよい。

制御装置は、第１の運転領域における点火時期を目標トルクとエンジン回転速度とに基づいて決定することと、筒内噴射弁に補正燃料を噴射させる場合、補正燃料の噴射時期を点火時期に基づいて決定すること、をさらに行うように構成されてもよい。

本発明に係る内燃機関は、第１の運転領域とは異なる第２の運転領域ではストイキ燃焼運転を行うように構成されてもよい。この場合、制御装置は、第２の運転領域においてトルク変動の発生が検知された場合、推定トルクが目標トルクに対して過剰なサイクルにおいて、推定トルクの目標トルクに対する過剰分だけトルクを低下させるように点火時期を遅角すること、をさらに行うように構成されてもよい。

本発明に係る内燃機関によれば、いわゆる均質リーン燃焼による運転を行なっているときにトルク変動の発生が検知された場合、エンジン回転速度から演算される推定トルクが目標トルクに対して不足しているサイクルにおいて、推定トルクの目標トルクに対する不足を補うための補正燃料が筒内噴射弁により圧縮行程で噴射される。圧縮行程での燃料噴射によれば、燃料を噴射してから点火が行われるまでの時間が短いため、駆動系の捩り振動によるトルクの谷に合わせて応答良くトルクを増大させ、それにより捩り振動を低減することができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。 本発明の実施の形態の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態の制御ロジックを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の制御ロジックに従った内燃機関の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態の噴射パターンの一例を示す図である。 本発明の実施の形態の噴射パターンの別の例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．内燃機関の構成
図１は、本実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。内燃機関１は、エンジン本体１０、制御装置１００、及び、回転速度センサ５０を含む多数のセンサより構成される。エンジン本体１０は、シリンダ１４が形成されたシリンダブロック１３と、シリンダブロック１３上に図示しないガスケットを介して配置されたシリンダヘッド１２とを有している。図１に描かれているシリンダ１４は１つであるが、シリンダブロック１３には複数のシリンダ１４が形成されている。シリンダ１４内にはその軸方向に往復動するピストン１８が配置されている。シリンダヘッド１２の下面とシリンダ１４の側面とピストン１８の上面とで区画された空間によって燃焼室１６が形成されている。

シリンダヘッド１２には、燃焼室１６に連通する吸気ポート２０及び排気ポート２２が形成されている。吸気ポート２０の燃焼室１６に連通する開口部には、吸気バルブ２４が設けられ、排気ポート２２の燃焼室１６に連通する開口部には、排気バルブ２６が設けられている。吸気バルブ２４と排気バルブ２６はそれぞれ、図示しない可変動弁機構によって駆動されている。

エンジン本体１０は、２種類の燃料噴射弁３０，３２を備える。その一つは、吸気ポート２０に取り付けられ、吸気ポート２０の内部に燃料を噴射するポート噴射弁３０である。もう一つは、燃焼室１６の天井部の略中心に取り付けられ、燃焼室１６の内部に燃料を直接噴射する筒内噴射弁３２である。筒内噴射弁３２は、点火プラグ３４と近接して配置され、筒内噴射弁３２の噴霧範囲内に点火プラグ３４の先端が位置するように、筒内噴射弁３２と点火プラグ３４の取り付け角度が調整されている。つまり、本実施の形態の内燃機関１は、いわゆるスプレーガイド式の筒内直噴エンジンとして構成されている。

制御装置１００は、少なくとも１つのメモリと少なくとも１つのプロセッサとを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御装置１００は、エンジン本体１０及び車両に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、エンジン本体１０が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力する。センサには、回転速度センサ５０の他にも図示しないアクセル開度センサ、空燃比センサ、エアフローセンサ等が含まれる。アクチュエータには、ポート噴射弁３０、筒内噴射弁３２、点火プラグ３４を含む点火装置の他、図示しないスロットルバルブや可変動弁機構などが含まれる。メモリには、エンジン本体１０の運転を制御するための各種のプログラムやマップを含む各種のデータが記憶されている。

２．制御装置の構成
図２は、制御装置１００の構成を示す図であって、制御装置１００が有する種々の機能のうち、駆動系の捩り振動を低減するための機能がブロックで表されている。制御装置１００は、燃焼モード切替部１０１、リーン燃焼運転判定部１０２、駆動被駆動判定部１０３、捩り振動検知部１０４、点火時期補正部１０５、噴射パターン補正部１０６、及び、振動低減制御切替部１０７を備えている。制御装置１００が備えるこれらの機能部１０１〜１０７は、制御装置１００のメモリに記憶されたプログラム或いはその一部に対応している。メモリから読みだされたプログラムがプロセッサで実行されることによって、これらの機能部１０１〜１０７の機能が制御装置１００にて実現される。以下、制御装置１００を構成する機能部１０１〜１０７の機能について説明する。

燃焼モード切替部１０１は、内燃機関１の燃焼モードを予め定義された複数の燃焼モードの間で切り替え、選択した燃焼モードに従って関係するアクチュエータの操作量を決定するように構成される。燃焼モードには、少なくとも、理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比の混合気を燃焼させて運転するリーン燃焼モードと、理論空燃比に調整された混合気を燃焼させて運転するストイキ燃焼モードとが含まれる。燃焼モードの選択は、後述するリーン燃焼運転判定部１０２と駆動被駆動判定部１０３のそれぞれの判定結果に基づいて行われる。

リーン燃焼モードでは、ポート噴射弁３０による燃料噴射と筒内噴射弁３２による燃料噴射との併用により、いわゆる均質リーン燃焼を実現させる。リーン燃焼モードの空燃比は、例えば２６程度の値に設定されている。ポート噴射弁３０による燃料噴射と筒内噴射弁３２による燃料噴射との分担比率は、１００：０から５０：５０までの間の比率に設定される。つまり、燃料の全てをポート噴射弁３０に噴射させるか、或いは、燃料のうちの所定割合の燃料をポート噴射弁３０に噴射させ、残りの燃料を筒内噴射弁３２に噴射させることが行われる。ポート噴射弁３０による燃料噴射は、好ましくは、吸気バルブ２４が閉じている期間に行なわれる非同期噴射である。ただし、吸気バルブ２４が開いている期間と燃料噴射期間の少なくとも一部が重なる同期噴射となってもよい。筒内噴射弁３２による燃料噴射は、燃料と空気との混合時間を確保して混合気の均質性を高めるために、吸気行程で行なわれる。ストイキ燃焼モードでは、主に筒内噴射弁３２による吸気行程での燃料噴射を用いてストイキ燃焼を実現させる。

また、リーン燃焼モードとストイキ燃焼モードでは、燃焼状態が異なるために、同じエンジン回転速度及びトルクに対応するＭＢＴ点火時期にも違いがある。具体的には、エンジン回転速度及びトルクが同じであれば、リーン燃焼モードの方がストイキ燃焼モードよりもＭＢＴ点火時期は進角側の値となる。制御装置１００による内燃機関１の制御はいわゆるトルクデマンド制御であり、目標トルクに基づいて点火時期を含む各種の操作量が決定される。このため、エンジン回転速度と目標トルクとから点火時期を決定するためのマップが、リーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとで別々に用意されている。

リーン燃焼運転判定部１０２は、エンジン回転速度と目標トルクとに基づいてリーン燃焼運転の可不可を判定するように構成される。エンジン回転速度とトルクとで定義される運転領域のうち、極低トルクの領域と極高トルクの領域はストイキ燃焼運転を行う領域（第２の運転領域）であり、極低トルクの領域と極高トルクの領域以外の領域は、リーン燃焼運転をしてよい領域（第１の運転領域としてのリーン燃焼運転領域）として設定されている。リーン燃焼運転の可不可は、エンジン回転速度と目標トルクとで定まる内燃機関１の動作点が、リーン燃焼運転領域に入っているか否かによって判定される。

駆動被駆動判定部１０３は、内燃機関１が車両を駆動している駆動状態なのか、内燃機関１が車両に駆動されている被駆動状態なのかを判定するように構成される。駆動状態か被駆動状態かは、吸入空気量と燃料噴射量とを含む種々のパラメータより内燃機関１の軸トルクを計算して、その値が正か負かによって判定される。

リーン燃焼運転判定部１０２と駆動被駆動判定部１０３のそれぞれの判定結果は、燃焼モード切替部１０１に提供される。燃焼モード切替部１０１は、内燃機関１が駆動状態であるという条件と、内燃機関１の動作点がリーン燃焼運転領域に入っているという条件のどちらか一方でも満たされていない場合、内燃機関１の燃焼モードとしてストイキ燃焼モードを選択する。そして、両方の条件が成立した場合、燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへ切り替える。

捩り振動検知部１０４は、駆動系の捩り振動を検知するように構成される。捩り振動が発生した場合にはエンジン回転速度が変動する。エンジン回転速度の変動は、内燃機関１のトルクの変動に起因する。捩り振動のない状態では、内燃機関１が出力するトルクは目標トルクに一致するように制御できている。ところが、捩り振動が発生している状態では、内燃機関１が出力するトルクは目標トルクを中心にして上下に変動している。つまり、内燃機関１が出力するトルクの目標トルクに対する過剰と不足が交互に繰り返されることにより、捩り振動が発生し、それはエンジン回転速度の変動として現れる。内燃機関１が出力するトルクは直接的には計測できないため、捩り振動検知部１０４は、回転速度センサ５０により計測できるエンジン回転速度に基づいて推定トルクを演算する。推定トルクの演算には、例えば、予め用意されたエンジン回転速度とトルクとを関連付けるマップ（吸入空気量、空燃比、点火時期等が引数として用いられている）を使用することができる。捩り振動検知部１０４は、推定トルクと目標トルクとを比較することにより、推定トルクと目標トルクとの間に乖離が生じているか否か検知し、乖離が生じている場合には、目標トルクに対して過剰側の乖離と不足側の乖離とを交互に繰り返すトルク変動が発生、すなわち、捩り振動が発生していることを検知する。

捩り振動検知部１０４による捩り振動の検知結果は、点火時期補正部１０５と噴射パターン補正部１０６とに提供される。点火時期補正部１０５と噴射パターン補正部１０６は、ともに、捩り振動検知部１０４で捩り振動の発生が検知された場合に、捩り振動を低減させるためのエンジン操作を行う手段である。ただし、点火時期補正部１０５と噴射パターン補正部１０６は、その両方が同時に作動することはなく、何れか一方のみが作動する。点火時期補正部１０５と噴射パターン補正部１０６のどちらを作動させるかは、振動低減制御切替部１０７によって決められる。

振動低減制御切替部１０７は、リーン燃焼運転判定部１０２の判定結果に基づいて、作動させるべき機能部を選択するように構成される。具体的には、振動低減制御切替部１０７は、リーン燃焼運転判定部１０２によりリーン燃焼運転は不可と判定されている場合、点火時期補正部１０５を選択し、リーン燃焼運転判定部１０２によりリーン燃焼運転は可と判定されている場合、噴射パターン補正部１０６を選択する。

点火時期補正部１０５は、リーン燃焼運転判定部１０２によりリーン燃焼運転は不可と判定され、且つ、捩り振動検知部１０４により捩り振動の発生が検知された場合に作動する。つまり、点火時期補正部１０５は、ストイキ燃焼運転中に捩り振動の発生が検知された場合に作動する。捩り振動が発生した場合、推定トルクの目標トルクに対する過剰と不足が交互に繰り返されるようになる。捩り振動の周波数は駆動系の共振周波数であり、振動の一つの山或いは谷の中には、内燃機関１の複数のサイクルが含まれている。点火時期補正部１０５は、推定トルクが目標トルクに対して過剰なサイクルにおいて、点火時期を遅角させることにより、推定トルクの目標トルクに対する過剰分だけトルクを低下させるように構成される。つまり、点火時期補正部１０５の作動時には、トルク変動の山を点火時期の遅角によるトルク低下によって削ることが行われる。

噴射パターン補正部１０６は、リーン燃焼運転判定部１０２によりリーン燃焼運転は可と判定され、且つ、捩り振動検知部１０４により捩り振動の発生が検知された場合に作動する。つまり、噴射パターン補正部１０６は、リーン燃焼運転中に捩り振動の発生が検知された場合に作動する。噴射パターン補正部１０６は、推定トルクが目標トルクに対して不足しているサイクルにおいて、推定トルクの目標トルクに対する不足を補うための補正燃料を、筒内噴射弁３２に圧縮行程で噴射させるように構成される。つまり、噴射パターン補正部１０６の作動時には、トルク変動の谷を補正燃料の追加噴射によるトルク増加によって埋めることが行われる。補正燃料を追加噴射する手段としてポート噴射弁３０ではなく筒内噴射弁３２を用いるのは、燃料噴射から点火までの時間、つまり、補正燃料を噴射してからそれがトルクに反映されるまでの時間がより短いからである。筒内噴射弁３２による吸気行程噴射ではなく圧縮行程噴射を用いるのも同じ理由であり、圧縮行程噴射のほうがトルクに反映されるまでの時間をより短くすることができる。つまり、トルクの応答性をより高めることができるからである。なお、補正燃料の量は、目標トルクと推定トルクとの差から計算することができる。

上記の通り、リーン燃焼運転中に捩り振動の発生が検知された場合、噴射パターン補正部１０６のみが作動して点火時期補正部１０５は作動しない。逆に、ストイキ燃焼運転中に捩り振動の発生が検知された場合、点火時期補正部１０５のみが作動して噴射パターン補正部１０６は作動しない。これには以下の理由がある。まず、リーン燃焼、詳しくは、内燃機関１が行う均質リーン燃焼は、良好な燃焼を担保できる点火時期の範囲が狭く、ＭＢＴに対して点火時期を遅角することは難しい。このため、制御装置１００は、リーン燃焼運転中の捩り振動を低減するための手段としては点火時期補正部１０５を使用しない。一方、圧縮行程噴射による補正燃料の追加は、トルクの不足を補う手段としてストイキ燃焼でも有効に利用することができる。しかし、補正燃料を追加することは燃料消費を増大させることになる。捩り振動を低減させるには必ずしもトルクの過剰分と不足分の両方を抑える必要はなく、どちらか一方のみを抑えれば振動は収束していく。そこで、制御装置１００は、燃料消費を増大させない点火時期の遅角のみを行い（過剰なトルクを抑えるための点火時期の遅角なので燃費の低下にはならない）、ストイキ燃焼運転中の捩り振動を低減するための手段としては噴射パターン補正部１０６を使用しない。

３．捩り振動低減制御の制御ロジック
制御装置１００は、上記の機能部１０１〜１０７を用いて、駆動系の捩り振動を低減するための捩り振動低減制御を実施する。図３は、捩り振動低減制御の制御ロジックを示すフローチャートである。制御装置１００は、この制御ロジックに基づくルーチンをＥＣＵのクロック数に対応する所定の制御周期で繰り返し実行する。以下、捩り振動低減制御の手順についてフローチャートに沿って説明する。

ステップＳ２では、制御装置１００は、内燃機関（エンジン）１が車両を駆動している駆動状態であるかどうか判定する。この判定は、駆動被駆動判定部１０３において行われる。内燃機関１が駆動状態でなければ捩り振動は発生しない。よって、内燃機関１が被駆動状態の場合には、以降の処理はスキップされる。

内燃機関１が駆動状態の場合、ステップＳ４の判定が行われる。ステップＳ４では、制御装置１００は、エンジン回転速度と目標トルクとで定まる内燃機関１の動作点がリーン燃焼運転領域に入っているかどうか判定する。この判定は、リーン燃焼運転判定部１０２において行われる。

内燃機関１の動作点がリーン燃焼運転領域に入っている場合、ステップＳ６において、制御装置１００は、内燃機関１のリーン燃焼運転を許可する。この場合、燃焼モード切替部１０１により、内燃機関１の燃焼モードとしてリーン燃焼モードが選択され、リーン燃焼を実現するためのエンジン操作が行われる。

続けて、制御装置１００は、ステップＳ８において、捩り振動が発生しているかどうか判定する。この判定は、捩り振動検知部１０４において行われる。なお、捩り振動の発生の検知方法としては、上述のエンジン回転速度に基づいて検知する方法の他にも、例えば、エアフローセンサが出力する吸入空気量の信号に含まれる共振周波数の成分を検知する方法などがある。つまり、捩り振動、すなわち、推定トルクの目標トルクに対する過剰と不足が交互に繰り返されるトルク変動の発生を精度よく検知できる方法であるならば、エンジン回転速度に基づいて検知する方法以外の方法をとってもよい。

ステップＳ８の判定結果がＹｅｓの場合、つまり、リーン燃焼運転中に捩り振動が発生している場合、制御装置１００は、トルク低減のための点火時期の遅角を許可せず（ステップＳ１０）、トルク増加のための筒内噴射弁３２による圧縮行程噴射を追加する（ステップＳ１２）。つまり、トルク変動の山を点火時期の遅角によるトルク低下によって削るのではなく、トルク変動の谷を圧縮行程噴射の追加によるトルク増加によって埋めることで、捩り振動を低減することが行われる。これらの処理は、振動低減制御切替部１０７によって噴射パターン補正部１０６が選択され、噴射パターン補正部１０６が作動することによって実行される処理である。

一方、ステップＳ８の判定結果がＮｏの場合、つまり、リーン燃焼運転中に捩り振動が発生していない場合、制御装置１００は、点火時期の遅角を許可せず（ステップＳ１４）、筒内噴射弁３２による圧縮行程噴射を追加することも行わない（ステップＳ１６）。つまり、捩り振動が発生していないので、それを低減するためのトルク制御は実施されない。このことは、捩り振動検知部１０４により捩り振動が検知されないため、点火時期補正部１０５も噴射パターン補正部１０６も作動しないことに対応している。

なお、圧縮行程噴射の追加の有無に関わらず、リーン燃焼モードが選択されているときは、点火時期はリーン燃焼用のＭＢＴ点火時期に設定される。ステップＳ１２において追加される圧縮行程噴射は、噴射した補正燃料がリーン燃焼用のＭＢＴ点火時期のもとで良好に燃焼できるタイミングにて実行される。

ここで再びステップＳ４の判定まで説明を戻し、内燃機関１の動作点がリーン燃焼運転領域に入っていない場合についての説明を行う。この場合、制御装置１００は、ステップＳ１８を選択する。ステップＳ１８では、制御装置１００は、内燃機関１のリーン燃焼運転を許可しない。燃焼モード切替部１０１により、内燃機関１の燃焼モードとしてストイキ燃焼モードが選択され、ストイキ燃焼を実現するためのエンジン操作が行われる。

続けて、制御装置１００は、ステップＳ２０において、捩り振動が発生しているかどうか判定する。この判定は、捩り振動検知部１０４において行われる。

ステップＳ２０の判定結果がＹｅｓの場合、つまり、ストイキ燃焼運転中に捩り振動が発生している場合、制御装置１００は、トルク低減のための点火時期の遅角を許可する。（ステップＳ２２）。しかし、トルク増加のための筒内噴射弁３２による圧縮行程噴射は追加しない（ステップＳ２４）。つまり、トルク変動の谷を圧縮行程噴射の追加によるトルク増加によって埋めることは行わず、トルク変動の山を点火時期の遅角によるトルク低下によって削ることのみで、捩り振動を低減することが行われる。これらの処理は、振動低減制御切替部１０７によって点火時期補正部１０５が選択され、点火時期補正部１０５が作動することによって実行される処理である。

一方、ステップＳ２０の判定結果がＮｏの場合、つまり、ストイキ燃焼運転中に捩り振動が発生していない場合、制御装置１００は、点火時期の遅角を許可せず（ステップＳ２６）、筒内噴射弁３２による圧縮行程噴射を追加することも行わない（ステップＳ２８）。つまり、捩り振動が発生していないので、それを低減するためのトルク制御は実施されない。このことは、捩り振動検知部１０４により捩り振動が検知されないため、点火時期補正部１０５も噴射パターン補正部１０６も作動しないことに対応している。

４．内燃機関の動作
図４は、上述の制御ロジックに従った内燃機関１の動作を示すタイムチャートである。タイムチャートは、上から順に、エンジン回転速度、トルク（目標トルク及び推定トルク）、圧縮行程噴射による補正燃料量、燃焼状態、圧縮行程噴射フラグの時刻による変化を示している。タイムチャートは、内燃機関１が被駆動状態にあるところから始まっている。被駆動状態での内燃機関１の燃焼状態はストイキ燃焼であり、被駆動状態では捩り振動は発生しないので圧縮行程噴射フラグはオフになっている。

運転者がアクセルペダルを踏み込み、内燃機関１のトルクが増大すると、内燃機関１は被駆動状態から駆動状態に切り替わる。極低トルク域で選択される燃焼モードはストイキ燃焼モードであるが、目標トルクが増大して内燃機関１の動作点がリーン燃焼運転領域に入ることで、燃焼モードはストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り替わる。

駆動系の捩り振動はこのような加速時に発生しやすく、捩り振動が発生することでエンジン回転速度は滑らかに上昇せず、上下に変動しながら上昇していく。エンジン回転速度が変動することで、エンジン回転速度に基づいて演算される推定トルクにもエンジン回転速度と同様の変動が生じる。この推定トルクを目標トルクと比較した場合、捩り振動の発生時には、推定トルクは目標トルクに対して過剰と不足を交互に繰り返すようになる。

推定トルクが目標トルクに対して不足している間、圧縮行程噴射フラグがオンになる。これは噴射パターン補正部１０６が作動中であることを意味するフラグである。圧縮行程噴射フラグがオンになっている間に圧縮行程を迎えるサイクルでは、圧縮行程で噴射すべき補正燃料量が推定トルクと目標トルクとの差に基づいて算出される。算出された補正燃料量は、当該圧縮行程において筒内噴射弁３２により燃焼室１６内に噴射される。圧縮行程での燃料噴射によれば、燃料を噴射してから点火が行われるまでの時間が短いため、駆動系の捩り振動によるトルクの谷に合わせて応答良くトルクを増大させ、それにより捩り振動を低減することができる。

図５は、圧縮行程噴射フラグがオンになっている場合の噴射パターンの一例を示す図である。図５に示す例では、目標トルクにより決まる主燃料は、ポート噴射弁３０によって排気行程、つまり、吸気弁２４が閉じている間に吸気ポート内に噴射される。そして、圧縮行程において、筒内噴射弁３２により補正燃料が噴射される。ここで、補正燃料を燃焼室１６内に供給する方法として、ポート噴射弁３０の燃料噴射期間を補正燃料の分だけ延長することが考えられる。しかし、その場合、最低でも圧縮上死点前３６０ＣＡまでに燃料噴射量の増量要求を出せなければ、今回サイクルの燃焼で所望のトルクを実現することができない。つまり、ポート噴射弁３０を利用したのでは、最長で５４０ＣＡ、最短でも３６０ＣＡの応答遅れが生じてしまう。これに対して筒内噴射弁３２を用いた圧縮行程噴射によれば、噴射した補正燃料がトルクに反映されるまでの時間を短くすることができる。

図６は、圧縮行程噴射フラグがオンになっている場合の噴射パターンの他の例を示す図である。図６に示す例では、目標トルクにより決まる主燃料は、筒内噴射弁３２によって吸気行程で噴射される。そして、圧縮行程において、再び筒内噴射弁３２による補正燃料の噴射が行われる。この例では、補正燃料を燃焼室１６内に供給する方法として、筒内噴射弁３２の吸気行程噴射期間を補正燃料の分だけ延長することが考えられる。吸気行程噴射期間の延長であれば、ポート噴射弁３０の噴射期間の延長に比較して、点火までの時間を短くすることができる。しかし、その場合でも、最低でも圧縮上死点前１８０ＣＡまでに燃料噴射量の増量要求を出せなければ、今回サイクルの燃焼で所望のトルクを実現することができない。つまり、圧縮行程噴射により補正燃料を噴射するほどには応答良くトルクを増大させことはできない。

以上のことから、補正燃料を筒内噴射弁３２により圧縮行程で噴射することには、捩り振動を低減する上で高い効果があることが分かる。なお、圧縮行程で燃料を噴射する場合、噴射された燃料が十分に拡散せず混合気の濃度に斑が生じることが懸念される。しかし、圧縮行程で噴射される補正燃料の量は、ポート噴射弁３０により噴射される主燃料の量に比較して格段に少ない。このため、混合気の濃度に斑が生じるとしてもその程度は小さく、成層リーン燃焼と比較すれば、混合気の均質性は十分に担保することができる。

５．その他実施の形態
上述の実施の形態では、ポート噴射弁と筒内噴射弁を備える内燃機関に本発明を適用しているが、本発明は筒内噴射弁のみを備える内燃機関にも適用することができる。その場合、図６に示す噴射パターンを採用することにより、吸気行程噴射によりいわゆる均質リーン燃焼を実現しつつ、圧縮行程噴射により捩り振動を低減することができる。

また、上述の実施の形態では、内燃機関は筒内噴射弁を燃焼室の頂部付近に備えるスプレーガイド式の筒内直噴エンジンとして構成されているが、本発明はエアーガイド式（或いはウォールガイド式）の筒内直噴エンジンにも適用することができる。エアーガイド式（或いはウォールガイド式）の筒内直噴エンジンでは、燃焼室の側面であって吸気ポートの下方に筒内噴射弁が設けられる。

１ 内燃機関
１０ エンジン本体
１４ シリンダ
１６ 燃焼室
１８ ピストン
２０ 吸気ポート
２２ 排気ポート
２４ 吸気バルブ
２６ 排気バルブ
３０ ポート噴射弁
３２ 筒内噴射弁
３４ 点火プラグ
５０ 回転速度センサ
１００ 制御装置

Claims (5)

1. 少なくとも筒内噴射弁を有し、第１の運転領域では遅くとも吸気行程の終わりまでに燃料を燃焼室内に供給することによってリーン燃焼を実現するように構成された火花点火式の内燃機関であって、
   前記内燃機関は、少なくとも前記筒内噴射弁を操作する制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   エンジン回転速度に基づいて推定トルクを演算する手段と、
   前記推定トルクの目標トルクに対する過剰と不足が交互に繰り返されるトルク変動の発生を検知する手段と、
   前記第１の運転領域において前記トルク変動が検知された場合、前記推定トルクが前記目標トルクに対して不足しているサイクルにおいて、前記推定トルクの前記目標トルクに対する不足を補うための補正燃料を、前記筒内噴射弁に圧縮行程で噴射させる手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記内燃機関は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁を有し、
   前記制御装置は、前記第１の運転領域では、前記目標トルクに応じて決まる主燃料の全てを前記ポート噴射弁に噴射させるか、或いは、前記主燃料のうちの所定割合の燃料を前記ポート噴射弁に噴射させ、残りの燃料を前記筒内噴射弁に吸気行程で噴射させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記制御装置は、前記第１の運転領域では、前記目標トルクに応じて決まる主燃料を前記筒内噴射弁に吸気行程で噴射させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記制御装置は、
   前記第１の運転領域における点火時期を前記目標トルクと前記エンジン回転速度とに基づいて決定する手段と、
   前記筒内噴射弁に前記補正燃料を噴射させる場合、前記補正燃料の噴射時期を前記点火時期に基づいて決定する手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関。
5. 前記内燃機関は、前記第１の運転領域とは異なる第２の運転領域ではストイキ燃焼運転を行うように構成され、
   前記制御装置は、
   前記第２の運転領域において前記トルク変動が検知された場合、前記推定トルクが前記目標トルクに対して過剰なサイクルにおいて、前記推定トルクの前記目標トルクに対する過剰分だけトルクを低下させるように点火時期を遅角する手段、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関。

Images