JP2018009562A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタによる燃料噴射の期間に点火プラグへの高電圧の印加期間を重複させる制御を排気浄化触媒の活性化に適用する場合において、サイクル間の燃焼変動を抑える。【解決手段】触媒暖機制御中は、インジェクタ３０による１回目の噴射が吸気行程において行われ、圧縮上死点よりも後の膨張行程において、１回目の噴射に比べて少量の２回目の噴射が行われる。触媒暖機制御では、２回目の噴射による燃料噴霧と、１回目の噴射による燃料噴霧を含む混合気から生じた初期火炎とを接触させるために、点火プラグ３２による点火期間の開始から２回目の噴射の終了までのインターバルがＥＣＵ４０によって制御される。【選択図】図１４

Description

この発明は内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、筒内インジェクタを備える火花点火式内燃機関に適用される制御装置に関する。

特許文献１（特開２０１１−１０６３７７号公報）には、複数の噴孔を有するインジェクタと点火プラグを燃焼室上部に備える内燃機関が開示されている。この内燃機関では、点火プラグの放電ギャップの中心位置から、インジェクタの噴孔のうちの点火プラグに最も近い噴孔の中心位置までの距離が、特定の範囲に設定されている。また、この内燃機関では、燃料噴射を開始してから所定時間が経過した後に、当該燃料噴射の終了までの間に亘って、点火プラグへの高電圧の印加を行う制御が行われる。

上述した制御が行われると、インジェクタによる燃料噴射の期間に、点火プラグへの高電圧の印加期間が重なることになる。ここで、インジェクタには加圧状態の燃料が供給されているので、インジェクタによる燃料噴射が行われると、各噴孔からの燃料噴霧の周囲の空気が持ち去られて低圧部が形成される（エントレインメント）。故に、上述した制御が行われると、上述した点火プラグに最も近い噴孔の周囲に形成された低圧部に、放電ギャップに生じた放電火花が誘引されることになる。よって、この内燃機関によれば、点火プラグの周辺に形成される混合気の着火性を向上できる。

特開２０１１−１０６３７７号公報 特開２００８−１９０５１１号公報 特開２０１５−０９４３３９号公報 特開２００７−２６３０６５号公報 特開２００８−０６９７１３号公報

特許文献１は更に、上述した誘引作用の適用例として、排気浄化触媒の活性化を紹介している。特許文献１での言及はないが、この排気浄化触媒の活性化は、通常時であれば圧縮上死点の近傍に設定する点火期間（つまり、点火プラグへの高電圧の印加時期）を、当該圧縮上死点よりも遅角側に変更することにより行われるのが一般的である。

上述した特許文献１の制御を一般的な排気浄化触媒の活性化に適用すると、圧縮上死点よりも遅角側に設定した点火期間を燃料噴射期間と重複させて、点火プラグの周辺に形成される混合気の着火性を向上できることになる。しかし、何らかの要因で着火環境が変化して望ましい範囲から外れた場合には、上述した誘引作用にも関わらず燃焼状態が不安定となる可能性がある。そして、排気浄化触媒の活性化制御中の燃焼サイクルにおいて、このような事態が発生するサイクルが多くなれば、サイクル間の燃焼変動が大きくなるので、ドライバビリティに影響が出てしまう。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、インジェクタによる燃料噴射の期間に点火プラグへの高電圧の印加期間を重複させる制御を排気浄化触媒の活性化に適用する場合において、サイクル間の燃焼変動を抑えることにある。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、インジェクタと、点火プラグと、排気浄化触媒とを備える内燃機関を制御するものである。前記インジェクタは、燃焼室上部に設けられて複数の噴孔から筒内に燃料を噴射するように構成されている。前記点火プラグは、放電火花を用いて筒内の混合気に点火するように構成されており、前記複数の噴孔から噴射される燃料の下流、且つ、前記複数の噴孔から噴射された燃料噴霧のうち前記点火プラグに最も近づく燃料噴霧の外郭面よりも上方に設けられる。前記排気浄化触媒は、前記燃焼室からの排気を浄化するように構成されている。
前記制御装置は、前記排気浄化触媒を活性化させる制御として、圧縮上死点よりも遅角側の点火期間で放電火花が発生するように前記点火プラグを制御すると共に、前記圧縮上死点よりも進角側での第１噴射と、前記圧縮上死点よりも遅角側での第２噴射であって、噴射期間が前記点火期間の少なくとも一部と重複する第２噴射と、を行うように前記インジェクタを制御する。
本発明に係る内燃機関の制御装置は更に、サイクル間の燃焼変動に関連するパラメータが閾値を上回ると判定された場合は、前記パラメータが前記閾値を下回ると判定された場合に比べて、前記点火期間の開始時期から前記第２噴射の噴射期間の終了時期までのインターバルが拡大するように前記点火プラグと前記インジェクタを制御する。

第１噴射での燃料噴霧を含む混合気は、点火期間において初期火炎を生じさせる。噴射期間が点火期間の少なくとも一部と重複する第２噴射が行われると、点火プラグに最も近い噴孔からの燃料噴霧の周囲に形成された低圧部に、少なくとも初期火炎が誘引される。このため、第２噴射が行われると、誘引された初期火炎に第２噴射による燃料噴霧が接触し、初期火炎を成長させる燃焼が促進されるはずである。
しかしながら、この接触が十分でない場合には、初期火炎を成長させる燃焼が不安定となる。初期火炎を成長させる燃焼が不安定となるサイクルが多くなれば、サイクル間の燃焼変動が大きくなる。
この点、サイクル間の燃焼変動に関連するパラメータが閾値を上回ると判定された場合に、当該パラメータが当該閾値を下回ると判定された場合に比べて、点火期間の開始時期から第２噴射の噴射期間の終了時期までのインターバルを拡大させれば、点火期間の開始から第２噴射の終了までのインターバルが長くなり、初期火炎がある程度成長するまで第２噴射の開始が待機されることになる。従って、誘引された初期火炎と放電火花に第２噴射による燃料噴霧の接触が不十分となるような状況が回避される。

前記制御装置は、前記パラメータが前記閾値を上回る場合は、前記パラメータと前記閾値の乖離量に応じて前記インターバルの拡大量を変更してもよい。

サイクル間の燃焼変動に関連するパラメータが閾値を上回ると判定された場合に、当該パラメータと当該閾値の乖離量に応じてインターバルの拡大量を変更すれば、誘引された初期火炎に第２噴射による燃料噴霧を確実かつ十分に接触させることが可能となる。

前記第２噴射は、その終了時期を前記点火期間の終了時期よりも進角側としてもよい。

第２噴射の終了時期が点火期間の終了時期よりも遅角側にある場合は、上記低圧部に初期火炎のみが誘引される。これに対し、第２噴射の終了時期が点火期間の終了時期よりも進角側にある場合は、上記低圧部に初期火炎と放電火花の両方が誘引される。そうすると、誘引された初期火炎と放電火花の両方に、第２噴射による燃料噴霧が接触することになる。従って、点火期間の終了時期からみて第２噴射の終了時期が進角側にある場合は、遅角側にある場合に比べて、初期火炎を成長させる燃焼が一層促進される。

前記パラメータが、クランク軸が所定角度回転するまでに要する時間のばらつき、または、前記点火期間の開始時期から燃焼質量割合が所定割合に到達するまでのクランク角期間のばらつきであってもよい。

サイクル間の燃焼変動に関連するパラメータが、クランク軸が所定角度回転するまでに要する時間のばらつき、または、点火期間の開始時期から燃焼質量割合が所定割合に到達するまでのクランク角期間のばらつきである場合は、サイクル間の燃焼変動が精度高く検出される。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、インジェクタによる燃料噴射の期間に点火プラグへの高電圧の印加期間を重複させる制御を排気浄化触媒の活性化に適用する場合において、サイクル間の燃焼変動を抑えることができる。

本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明する図である。 触媒暖機制御の概要を説明する図である。 膨張行程噴射を説明する図である。 膨張行程噴射による放電火花と初期火炎の誘引作用を説明する図である。 点火期間の開始から膨張行程噴射の終了までのインターバル（点火開始−噴射終了インターバル）と、燃焼変動率との関係を示した図である。 ベース適合値マップの一例を示した図である。 内燃機関の冷間始動時における、点火プラグ３２による点火時期（より正確には、点火期間の開始時期）とエンジン冷却水温の推移を示した図である。 初期火炎の成長速度が遅くなった場合の筒内状態を説明する図である。 噴霧外郭面と電極部３４の間の距離が拡大した場合の筒内状態を説明する図である。 点火時期を進角する場合の問題を説明する図である。 点火期間の開始から膨張行程噴射の終了までのインターバルの修正手法を説明する図である。 点火期間の開始から膨張行程噴射の終了までのインターバルが拡大する方向にベース適合値を修正した場合における筒内状態を説明する図である。 点火期間の開始から膨張行程噴射の終了までのインターバルが拡大する方向にベース適合値を修正した場合の効果を説明する図である。 本発明の実施の形態においてＥＣＵ４０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。 内燃機関の冷間始動時におけるＧａｔ３０と、このＧａｔ３０のばらつきσの推移の一例を示した図である。 Ｇａｔ３０のばらつきσとクライテリアの差と、インターバル拡大用の補正値との関係を示す図である。 内燃機関の冷間始動時における燃焼変動率とＳＡ−ＣＡ１０のばらつきσとの関係を示す図である。 ＳＡ−ＣＡ１０のばらつきσの推移の一例を示した図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明する図である。図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、車両に搭載される内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は４ストローク１サイクルエンジンであり、複数の気筒を有している。但し、図１には、そのうちの１つの気筒１２のみが描かれている。内燃機関１０は、気筒１２が形成されたシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４上に配置されるシリンダヘッド１６と、を有している。気筒１２内にはその軸方向（本実施の形態では鉛直方向）に往復動するピストン１８が配置されている。内燃機関１０の燃焼室２０は、少なくともシリンダブロック１４の壁面と、シリンダヘッド１６の下面と、ピストン１８の上面と、によって画定されている。

シリンダヘッド１６には、燃焼室２０に連通する吸気ポート２２および排気ポート２４が２つずつ形成されている。吸気ポート２２の燃焼室２０に連通する開口部には吸気バルブ２６が設けられ、排気ポート２４の燃焼室２０に連通する開口部には排気バルブ２８が設けられている。また、シリンダヘッド１６には、燃焼室２０の上部の略中央から先端が燃焼室２０を臨むようにインジェクタ３０が設けられている。インジェクタ３０は燃料タンク、コモンレール、サプライポンプ等から構成される燃料供給系に接続されている。また、インジェクタ３０の先端には複数の噴孔が放射状に形成されており、インジェクタ３０を開弁するとこれらの噴孔から燃料が高圧状態で噴射される。

また、シリンダヘッド１６には、インジェクタ３０が設けられた箇所よりも排気バルブ２８の側の燃焼室２０の上部に点火プラグ３２が設けられている。点火プラグ３２は、中心電極と接地電極とからなる電極部３４を先端に備えている。電極部３４は、インジェクタ３０からの燃料噴霧の外郭面（以下「噴霧外郭面」ともいう。）よりも上方になる範囲（すなわち、噴霧外郭面からシリンダヘッド１６の下面までの範囲）に突き出すように配置されている。より詳しく述べると、電極部３４は、インジェクタ３０の噴孔から放射状に噴射された燃料噴霧のうち、点火プラグ３２に最も近づく燃料噴霧の外郭面よりも上方となる範囲に突き出すように配置されている。なお、図１に描かれる外郭線は、インジェクタ３０からの燃料噴霧のうちの点火プラグ３２に最も近づく燃料噴霧の外郭面を表している。

吸気ポート２２は、吸気通路側の入口から燃焼室２０に向けてほぼ真っ直ぐに延び、燃焼室２０との接続部分であるスロート３６において流路断面積が絞られている。吸気ポート２２のこのような形状は、吸気ポート２２から燃焼室２０に供給された吸気にタンブル流を生じさせる。タンブル流は燃焼室２０内で旋回する。より詳しく述べると、タンブル流は、燃焼室２０の上部では吸気ポート２２側から排気ポート２４側に向かい、排気ポート２４側では燃焼室２０の上部から下部に向かう。また、タンブル流は、燃焼室２０の下部では排気ポート２４側から吸気ポート２２側に向かい、吸気ポート２２側では燃焼室２０の下部から上方に向かう。燃焼室２０の下部を形成するピストン１８の上面には、タンブル流を保持するための凹みが形成されている。

また、図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、制御手段としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えている。ＥＣＵ４０は、車両に搭載された各種センサの信号を取り込み処理する。各種センサには、ピストン１８に接続されたクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ４２と、車両の運転者によるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ４４と、内燃機関１０の冷却水温（以下「エンジン冷却水温」ともいう。）を検出する温度センサ４６と、が少なくとも含まれている。ＥＣＵ４０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従って各種アクチュエータを操作する。ＥＣＵ４０によって操作されるアクチュエータには、上述したインジェクタ３０と点火プラグ３２とが少なくとも含まれている。

［ＥＣＵ４０による始動時制御］
本実施の形態では、図１に示したＥＣＵ４０による内燃機関１０の冷間始動直後の制御として、排気浄化触媒の活性化を促進する制御（以下「触媒暖機制御」ともいう。）が行われる。排気浄化触媒は、内燃機関１０の排気通路に設けられる触媒であり、一例として、活性化状態にある触媒の雰囲気がストイキ近傍にあるときに排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を浄化する三元触媒が挙げられる。

ＥＣＵ４０によって実行される触媒暖機制御について、図２乃至図７を参照して説明する。図２には、触媒暖機制御中のインジェクタ３０による噴射時期と、点火プラグ３２による点火期間の開始時期（電極部３４での放電期間の開始時期）と、が描かれている。図２に示すように、触媒暖機制御中は、インジェクタ３０による１回目の噴射（第１噴射）が吸気行程において行われ、圧縮上死点よりも後の膨張行程において、１回目の噴射に比べて少量（一例として５ｍｍ^３／ｓｔ程度）の２回目の噴射（第２噴射）が行われる。以下の説明においては、１回目の噴射（第１噴射）を「吸気行程噴射」とも称し、２回目の噴射（第２噴射）を「膨張行程噴射」とも称す。また、図２に示すように、触媒暖機制御中は、点火プラグ３２による点火期間の開始時期が、圧縮上死点よりも遅角側に設定される。なお、図２においては、点火期間の開始時期よりも遅角側で膨張行程噴射が行われているが、膨張行程噴射が点火期間の開始時期よりも進角側で開始されてもよい。これに関して、図３を参照しながら説明する。

図３は、膨張行程噴射の噴射期間と、点火期間との時期的関係を説明する図である。図３には、開始時期の異なる３つの噴射Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが描かれている。噴射Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは開始時期こそ異なるものの、これらの噴射期間は何れも、膨張行程噴射の噴射期間と等しくされている。また、図３に描かれる点火期間は、触媒暖機制御中の点火期間（設定期間）と等しくされている。図３に示すように、点火期間の開始時期を跨ぐように行われる噴射Ｂ、点火期間中に行われる噴射Ｃ、点火期間の終了時期を跨ぐように行われる噴射Ｄが本実施の形態で言うところの膨張行程噴射に該当し、点火期間の開始時期よりも進角側で行われる噴射Ａは、本実施の形態で言うところの膨張行程噴射には該当しない。この理由は、後述する誘引作用を得るためには、膨張行程噴射の噴射期間の少なくとも一部が点火期間と重複している必要があるためである。

［膨張行程噴射による誘引作用］
図４は、膨張行程噴射による放電火花と初期火炎の誘引作用を説明する図である。図４の上段および中段（または下段）には、点火プラグ３２による点火期間中に電極部３４で生じている放電火花、および、この放電火花によって吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気から生じた初期火炎の２つの異なる状態が描かれている。図４の上段に示される状態が膨張行程噴射を行わない場合での状態に相当し、図４の中段（または下段）に示される状態が膨張行程噴射を行った場合での状態に相当している。なお、説明の便宜上、図４には、膨張行程噴射による燃料噴霧のうち、点火プラグ３２に最も近づく燃料噴霧のみを示す。

図４の上段に示すように、膨張行程噴射を行わない場合は、電極部３４で生じている放電火花および初期火炎がタンブル流の流れ方向に延びる。一方、図４の中段に示すように、膨張行程噴射を行う場合は、燃料噴霧の周囲に低圧部が形成されるので（エントレインメント）、電極部３４で生じている放電火花および初期火炎がタンブル流の流れ方向とは逆の方向に誘引される。そうすると、図４の下段に示すように、誘引された放電火花および初期火炎が膨張行程噴射による燃料噴霧と接触し、これらを巻き込んで一気に成長する。このような放電火花と初期火炎の両方の誘引による初期火炎の成長は、図３の噴射Ｂ，Ｃの場合において起こる。図３の噴射Ｄの場合については後述する。

膨張行程で噴射された燃料噴霧は、タンブル流や筒内圧力の影響を受ける。そのため、点火プラグ３２による点火期間の開始時期よりも進角側の膨張行程において噴射を行った場合は（図３の噴射Ａ参照）、この噴射による燃料噴霧が電極部３４に辿り着く前にその形状が変化してしまう。そのため、点火プラグ周りの混合気の濃度が安定せずサイクル間の燃焼変動が大きくなってしまう。この点、噴射期間の少なくとも一部が点火期間と重複する膨張行程噴射を行えば（図３の噴射Ｂ，Ｃ参照）、図４の中段に示した誘引作用を活用することができる。そのため、膨張行程噴射による燃料噴霧の形状が変化したとしても、初期火炎を成長させる燃焼（以下「初期燃焼」ともいう。）を安定化させて、サイクル間の燃焼変動を抑えることができる。更には、初期燃焼に続く燃焼、すなわち、成長した初期火炎が吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気を更に巻き込む燃焼（以下「主燃焼」ともいう。）をも安定化させることができる。図３の噴射Ｄの場合は、点火期間の終了に伴い放電火花が消失するものの、初期火炎は残っている。そのため、膨張行程噴射による燃料噴霧よる誘引作用によって、この燃料噴霧と初期火炎を接触させることができる。従って、図３の噴射Ｂ，Ｃの場合と同様に初期燃焼を安定化させて、サイクル間の燃焼変動を抑えることができる。

［インターバル制御］
触媒暖機制御では、点火プラグ３２による点火期間の開始から膨張行程噴射の終了までのインターバルがＥＣＵ４０によって制御される。図５は、点火期間の開始から膨張行程噴射の終了までのインターバル（点火開始−噴射終了インターバル）と、燃焼変動率との関係を示した図である。図５に示す燃焼変動率は、点火期間の開始時期と終了時期を固定しつつ、噴射期間（つまり噴射量）を固定した膨張行程噴射の開始時期を変更することで得られたものである。図５に示すように、「点火開始−噴射終了インターバル」に対して燃焼変動率は下に凸となる。また、図５において、燃焼変動率が最も小さな値を示すのは、点火期間の開始時期（点火開始）と膨張行程噴射の開始時期（噴射開始）を揃える場合（点火開始＝噴射開始）よりも遅角側においてである。

ＥＣＵ４０のＲＯＭには、図５に示した燃焼変動率が最も小さな値を示すときの「点火開始−噴射終了インターバル」の値（以下「ベース適合値」ともいう。）を、エンジン運転状態に関連付けたマップ（以下「ベース適合値マップ」ともいう。）が記憶されており、触媒暖機制御の際にはここから読み出される。図６は、ベース適合値マップの一例を示した図である。図６に示すように、ベース適合値マップは、エンジン回転速度とエンジン負荷ｋｌを両軸とする２次元マップとして作成されている。因みにベース適合値マップは、所定の温度刻みで区切ったエンジン冷却水温域ごとに作成されているので、実際にはこのような２次元マップが複数存在している。また、図６に矢印で示すように、ベース適合値は、エンジン回転速度が高くなるほど、または、エンジン負荷が低くなるほど遅角側の値を取るように設定されている。この理由は、エンジン回転速度が高い場合には初期火炎の成長が相対的に遅くなるからであり、エンジン負荷が高い場合には筒内環境の改善により初期火炎の成長が相対的に速くなるからである。

触媒暖機制御において、点火プラグ３２による点火期間の開始時期と膨張行程噴射の終了時期は、具体的に次のように決定される。先ず、基本点火時期と遅角補正量とに基づいて、点火プラグ３２による点火期間の開始時期が決定される。そして、ベース適合値マップとエンジン運転状態とから求めたベース適合値を、決定した点火期間の開始時期に加算することで、膨張行程噴射の終了時期が決定される。図７は、内燃機関の冷間始動時における、点火プラグ３２による点火時期（より正確には、点火期間の開始時期）とエンジン冷却水温の推移を示した図である。図７に示す時刻ｔ_０においてエンジンが始動されたとすると、その直後の時刻ｔ_１から触媒暖機制御を実行する運転モード（以下「触媒暖機モード」ともいう。）が開始され、点火時期が徐々に遅角側の値に設定される。そして、エンジン冷却水温がクライテリア（一例として５０℃）に到達した時刻ｔ_２において触媒暖機モードが終了され、その後は点火時期が徐々に進角側の値に設定される。

なお、基本点火時期は、エンジン運転条件（主に、吸入空気量およびエンジン回転速度）に応じた値としてＥＣＵ４０のＲＯＭに記憶されている。また、遅角補正量は、遅角補正量をエンジン冷却水温に関連付けたマップ（以下「遅角補正量マップ」ともいう。）に基づいて決定される。因みにこの遅角補正量マップは、ベース適合値マップと同じくＥＣＵ４０のＲＯＭに記憶されており、触媒暖機制御の際にはここから読み出される。

［着火環境が望ましい範囲から外れたときの問題点］
ところで、図１に示したシステムにおいて何らかの要因で着火環境が変化して望ましい範囲から外れた場合には、上述した膨張行程噴射による誘引作用にも関わらず燃焼状態が不安定となる可能性がある。例えば、インジェクタ３０の噴孔にデポジットが堆積した場合には、吸気行程噴射での噴射量が少なくなる。また、吸気行程噴射の噴射量を算出する際の空気量を本来よりも少なく読み違えた場合にも、吸気行程噴射での噴射量が少なくなる。そして、吸気行程噴射での噴射量が少なくなれば、点火プラグ３２の周辺の燃料濃度が薄くなり、初期火炎の成長速度（膨張行程噴射による燃料噴霧と接触する前の初期火炎の成長速度をいう。以下同じ。）が遅くなる。また、吸気バルブ２６や排気バルブ２８のバルブタイミングに関する学習が不良の場合には、燃焼室２０内に残留する排気の割合が増加してしまうので、初期火炎の成長速度が遅くなる。初期火炎の成長速度が遅くなれば、膨張行程噴射による燃料噴霧と初期火炎とを接触させることができず、サイクル間の燃焼変動が大きくなる。

図８は、初期火炎の成長速度が遅くなった場合の筒内状態を説明する図である。図８の上段には着火環境が望ましい範囲内にあるときの筒内状態が描かれており、図４の下段に示した筒内状態と同じである。因みにこの場合は、電極部３４で生じている放電火花および初期火炎が膨張行程噴射による燃料噴霧に誘引されてこれと接触し、初期火炎が一気に成長することは既に述べたとおりである。つまりこの場合は、初期火炎の成長速度に特段の問題はないといえる。一方、図８の下段には、初期火炎の成長速度が遅くなった場合の筒内状態が描かれている。この場合、電極部３４で生じている放電火花は膨張行程噴射による燃料噴霧に誘引されるものの、成長速度の遅い初期火炎の誘引が不十分となる。そのため、膨張行程噴射による燃料噴霧と、初期火炎とを接触させることができなくなる。故に、初期燃焼が不安定となり、初期燃焼に続く主燃焼も不安定となってしまう。

また、例えば、点火プラグ３２の交換によって電極部３４の燃焼室２０への突き出し量が減少した場合や、インジェクタ３０の噴口へのデポジットの堆積によって噴霧角が変化した場合には、噴霧外郭面と電極部３４の間の距離が拡大する。噴霧外郭面と電極部３４の間の距離が拡大した場合には、膨張行程噴射による燃料噴霧と、初期火炎とを接触させることができず、サイクル間の燃焼変動が大きくなってしまう可能性がある。

図９は、噴霧外郭面と電極部３４の間の距離が拡大した場合の筒内状態を説明する図である。図９の上段には着火環境が望ましい範囲内にあるときの筒内状態が描かれており、図４の下段や図８の上段に示した筒内状態と同じである。一方、図９の下段には、噴霧外郭面と電極部３４の間の距離が拡大した場合の筒内状態が描かれている。この場合は、膨張行程噴射による燃料噴霧の周囲に形成された低圧部から、電極部３４で生じている放電火花および初期火炎までの距離が拡大するので、これらの誘引が不十分となる。そのため、膨張行程噴射による燃料噴霧と、初期火炎とを接触させることができなくなる。なお、図９に描かれる外郭線は、インジェクタ３０からの燃料噴霧のうちの点火プラグ３２に最も近づく燃料噴霧の外郭面を表している。

仮に、点火期間の開始時期を進角すれば、筒内環境が改善する。そのため、初期火炎の成長速度が低下している場合には（図８の下段参照）、その低下を緩和して膨張行程噴射による燃料噴霧と初期火炎とを接触させることができる。また、噴霧外郭面と電極部３４の間の距離が拡大している場合には（図９の下段参照）、初期火炎の成長速度を促進して膨張行程噴射による燃料噴霧と初期火炎とを接触させることができる。しかし、点火期間の開始時期を進角すれば、排気浄化触媒に投入できる排気エネルギが減少することから、今度は排気浄化触媒の活性化に時間を要してしまうことになる。

この問題について、図１０を参照しながら詳細に説明する。着火環境が望ましい範囲内にある場合は、吸気行程噴射による燃料噴霧から生じた初期火炎が膨張行程噴射による燃料噴霧と接触できる程度の大きさまで成長するまでの期間を、適切な範囲内の値とすることができる。そのため、図１０の中段に実線（正常時）で示すように、点火時期（より正確には、点火期間の開始時期）を遅角側のクランク角ＣＡ_１に設定しても、初期火炎の成長速度を適切な範囲内の値（ｖ_１）とすることができる。よって、図１０の上段に実線（正常時）で示すように、燃焼変動率をクライテリアよりも小さくすることができる。しかし、着火環境が変化して望ましい範囲から外れた場合には、吸気行程噴射による燃料噴霧から生じた初期火炎が膨張行程噴射による燃料噴霧と接触できる程度の大きさまで成長するまでの期間が長くなる。そのため、図１０の中段に破線（燃焼悪化時）で示すように、クランク角ＣＡ_１に設定したままでは初期火炎の成長速度が適切な範囲外の値（ｖ_２）まで低下してしまう。よって、図１０の上段に破線（燃焼悪化時）で示すように、燃焼変動率がクライテリアを上回ることになってしまう。

着火環境が望ましい範囲から外れたとしても、点火時期を進角側に変更すれば、初期燃焼の成長速度の傾向を変えることができる。具体的には、点火時期をクランク角ＣＡ_１からクランク角ＣＡ_２に設定し直せば、図１０の中段に破線（燃焼悪化時）で示すように、初期火炎の成長速度を適切な範囲外の値（ｖ_２）から適切な範囲内の値（ｖ_１）に戻すことができる。そうすれば、吸気行程噴射による燃料噴霧から生じた初期火炎を、適切な時期に膨張行程噴射による燃料噴霧と初期火炎とを接触させることができるようになるので、燃焼変動率をクライテリアよりも小さくすることが可能となる。しかし、図１０の下段に示すように、点火時期をクランク角ＣＡ_２に設定し直した場合には、点火時期をクランク角ＣＡ_１に設定した場合よりも排気エネルギが少なくなることから、排気エネルギの減少分だけ排気浄化触媒の活性化に時間を要してしまうことになる。

このような事態を避けるため、本実施の形態では、着火環境の変化が原因で膨張行程噴射による燃料噴霧と初期火炎が接触できなくなっていることが予測された場合に、ベース適合値マップから求めたベース適合値を修正することとしている。図１１は、点火期間の開始から膨張行程噴射の終了までのインターバルの修正手法を説明する図である。図５同様、図１１には、「点火開始−噴射終了インターバル」と、燃焼変動率との関係が描かれている。図５と図１１を比べると分かるように、図５では実線で描かれていた関係が、図１１では破線で描かれている。

図８乃至図１０で説明したように、膨張行程噴射による燃料噴霧と初期火炎が接触できなくなっていると、燃焼変動率が大きくなる。つまり、図１１に示すように、「点火開始−噴射終了インターバル」と燃焼変動率との関係が、破線で描かれる関係から実線で描かれる関係へと変化している。それにも関わらず、ベース適合値に設定したまま膨張行程噴射を実行すれば、燃焼変動率がクライテリアを上回ってしまう。この点、変化後の実線で示す関係に従って、「点火開始−噴射終了インターバル」が拡大する方向にベース適合値を修正すれば、燃焼変動率をクライテリアよりも小さくすることができる。

なお、既に述べたように、ベース適合値は、着火環境が望ましい範囲内にある場合において燃焼変動率が最も小さな値を示すときの「点火開始−噴射終了インターバル」の値である。そのため、修正後の「点火開始−噴射終了インターバル」に基づいて膨張行程噴射を実行した場合であっても、燃焼変動率そのものが、着火環境が望ましい範囲内にある場合に比べて小さくなることはない。しかしながら、「点火開始−噴射終了インターバル」が拡大する方向にベース適合値を修正すれば、燃焼変動率をクライテリアよりも小さくして、着火環境が望ましい範囲内にある場合における燃焼変動率に近づけることができる。

図１２は、点火期間の開始から膨張行程噴射の終了までのインターバルが拡大する方向にベース適合値を修正した場合における筒内状態を説明する図である。図１２の上段および下段には、何れも着火環境が望ましい範囲から外れた場合の筒内状態が描かれている。但し、図１２の上段と下段で異なるのは、上段が「点火開始−噴射終了インターバル」をベース適合値に固定したまま点火時期を進角させた場合を示しており、下段が「点火開始−噴射終了インターバル」が拡大する方向にベース適合値を修正した場合を示している。

図１２の上段と下段を比較すると分かるように、「点火開始−噴射終了インターバル」をベース適合値に固定したままでは（上段参照）、膨張行程噴射による燃料噴霧と、成長速度の遅い初期火炎を接触させることができない。これに対し、「点火開始−噴射終了インターバル」が拡大する方向にベース適合値を修正すれば（下段参照）、初期火炎がある程度まで成長した段階で膨張行程噴射による燃料噴霧と接触させることができる。そのため、初期火炎が膨張行程噴射による燃料噴霧と接触する状態を、着火環境が望ましい範囲内にある場合での両者の接触状態に近づけることができる。よって、初期燃焼を安定化させて燃焼変動を抑えることができ、主燃焼をも安定化させることができる。

また、「点火開始−噴射終了インターバル」が拡大する方向にベース適合値を修正すれば、点火時期の大幅な進角を必要としないので、排気浄化触媒に投入する排気エネルギが低下するのを抑えることもできる。図１３は、点火期間の開始から膨張行程噴射の終了までのインターバルが拡大する方向にベース適合値を修正した場合の効果を説明する図である。図１３に示す「ベース適合値（正常時）」は、着火環境が望ましい範囲内にある場合において、ベース適合値に基づいて触媒暖機制御を実行したときに排気浄化触媒に投入される排気エネルギと、その触媒暖機制御での燃焼変動率と、を表している。また、「ベース適合値（燃焼悪化時）」は、着火環境が望ましい範囲から外れた場合において、ベース適合値に基づいて触媒暖機制御を実行したときの同排気エネルギおよび同燃焼変動率に相当している。両者を比較すると分かるように、「ベース適合値（燃焼悪化時）」では、「ベース適合値（正常時）」と同等の排気エネルギが得られるものの、燃焼変動率がクライテリアよりも大きくなってしまう。

また、図１３に示す「点火進角（インターバル固定）」は、着火環境が望ましい範囲から外れた場合において、点火時期（より正確には、点火期間の開始時期）を進角しつつ、ベース適合値に基づいて触媒暖機制御を実行したときの同排気エネルギおよび同燃焼変動率に相当している。「点火進角（インターバル固定）」と「ベース適合値（燃焼悪化時）」を比較すると分かるように、「点火進角（インターバル固定）」では燃焼変動率をクライテリアよりも小さくすることができるものの、排気エネルギが減少してしまう。

図１３に示す「本発明」は、着火環境が望ましい範囲から外れた場合において、修正後のベース適合値に基づいて触媒暖機制御を実行したときの同排気エネルギおよび同燃焼変動率に相当している。「本発明」と他を比較すると分かるように、「本発明」は燃焼変動率をクライテリアよりも小さくすることができ、また、「ベース適合値（正常時）」での排気エネルギよりは低いものの、「点火進角（インターバル固定）」での排気エネルギよりも高い排気エネルギを得ることができる。従って、着火環境が望ましい範囲から外れた場合においても、燃焼変動率が大きくなることを抑えつつ、排気浄化触媒の早期活性化に必要な排気エネルギを確保することができる。

［実施の形態での具体的処理］
図１４は、本発明の実施の形態においてＥＣＵ４０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。なお、この図に示すルーチンは、内燃機関１０の始動後、各気筒においてサイクルごとに繰り返し実行されるものとする。

図１４に示すルーチンでは、先ず、エンジン冷却水温がクライテリアに到達しているか否か、または、触媒暖機モードの終了に関するフラグが出されているか否かが判定される（ステップＳ１００）。本ステップＳ１００では具体的に、温度センサ４６の検出値に基づいてエンジン冷却水温がクライテリア（図７参照）に到達しているか否か、または、終了フラグ（ステップＳ１１０参照）が立てられているか否かが判定される。そして、エンジン冷却水温がクライテリアに到達していると判定された場合、または、終了フラグが立てられていると判定された場合（“Ｙｅｓ”の場合）、本ルーチンを抜ける。

ステップＳ１００において、エンジン冷却水温がクライテリアに到達していないと判定され、尚且つ、終了フラグも立てられていないと判定された場合（“Ｎｏ”の場合）、エンジン運転状態に基づいて、点火プラグ３２による点火期間の開始時期と、膨張行程噴射の終了時期とが決定される（ステップＳ１０２）。本ステップＳ１０２では先ず、温度センサ４６の検出値に基づくエンジン冷却水温と、遅角補正量マップとに基づいて、遅角補正量が求められる。また、遅角補正量と基本点火時期とに基づいて、点火プラグ３２による点火期間の開始時期が決定される。また、クランク角センサ４２の検出値に基づいて算出されたエンジン回転速度、アクセル開度センサ４４の検出値に基づいて算出されたエンジン負荷、および、温度センサ４６の検出値に基づくエンジン冷却水温と、ベース適合値マップと、に基づいてベース適合値が求められる。そして、求めたベース適合値を、決定した点火プラグ３２による点火期間の開始時期に加算することで、膨張行程噴射の終了時期が決定される。

ステップＳ１０２に続いて、着火環境の変化に関する判定が行われる（ステップＳ１０４）。本ステップＳ１０４では例えば、触媒暖機制御の開始後におけるＧａｔ３０のばらつき（標準偏差）σがクライテリアを上回るか否かが判定される。クランク角センサ４２のロータには３０°間隔で歯が設けられており、クランク角センサ４２はクランク軸が３０°回転する毎に信号を発するように構成されている。Ｇａｔ３０は、その信号と信号の間の時間、つまりクランク軸が３０°回転するのに要する時間として算出される。図１５は、内燃機関の冷間始動時におけるＧａｔ３０と、このＧａｔ３０のばらつきσの推移の一例を示した図である。図１５の横軸はエンジン始動後の経過時間を表し、時刻ｔ_１は触媒暖機制御の開始時期を表している。図１５に示すように、時刻ｔ_１から時刻ｔ_３までの間はＧａｔ３０の変動が小さい。故に、Ｇａｔ３０のばらつきσがクライテリアよりも小さいと判定される。Ｇａｔ３０のばらつきσがクライテリアよりも小さいと判定された場合（“Ｎｏ”の場合）、ステップＳ１０８に進む。

一方、図１５に示すように、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの間はＧａｔ３０の変動が大きくなる。故に、Ｇａｔ３０のばらつきσがクライテリアよりも大きいと判定される。Ｇａｔ３０のばらつきσがクライテリアを上回ると判定された場合（“Ｙｅｓ”の場合）、何らかの要因で着火環境が変化して望ましい範囲から外れており、膨張行程噴射による燃料噴霧と初期火炎が接触できなくなっている可能性があると判断できる。そのため、点火プラグ３２による点火期間の開始時期と、膨張行程噴射の終了時期とが修正される（ステップＳ１０６）。本ステップＳ１０６では、先ず、エンジン冷却水温と遅角補正量マップとに基づいて、遅角補正量が求められる。また、遅角補正量と基本点火時期とに基づいて、点火プラグ３２による点火期間の開始時期が決定される。また、エンジン回転速度、エンジン負荷およびエンジン冷却水温と、ベース適合値マップと、に基づいて、ベース適合値が求められる。ここまでの処理は、ステップＳ１０２の処理と同じである。本ステップＳ１０６では、求めたベース適合値を、決定した点火プラグ３２による点火期間の開始時期に加算し、更に、インターバル拡大用の補正値（一定値）を更に加算する。これにより、膨張行程噴射の終了時期が決定される。

ステップＳ１０６に続いて、ステップＳ１０８では、排気温度がクライテリアＴ_１を上回るか否かが判定される。本ステップでは例えば排気浄化触媒の下流に設けた温度センサの検出値に基づいて、排気温度がクライテリアＴ_１を上回るか否かが判定される。そして、エンジン冷却水温がクライテリアに到達していると判定された場合（“Ｙｅｓ”の場合）、終了フラグが立てられる（ステップＳ１１０）。

以上、図１４に示したルーチンによれば、触媒暖機制御の開始後Ｇａｔ３０のばらつきσに基づいて着火環境の変化に関する判定を行うことができる。また、判定の結果、何らかの要因で着火環境が変化して望ましい範囲から外れている可能性があると判断した場合には、点火期間の開始から膨張行程噴射の終了までのインターバルを拡大させることができる。よって、着火環境が望ましい範囲から外れたとしても、サイクル間の燃焼変動を抑えることができる。

［実施の形態の変形例］
ところで、上記実施の形態では、燃焼室２０に形成されるタンブル流が、排気ポート２４側では燃焼室２０の上部から下部に向かい、且つ、吸気ポート２２側では燃焼室２０の下部から上方に向かうように旋回するとした。しかし、このタンブル流が逆方向、つまり、吸気ポート２２側では燃焼室２０の上部から下方に向かい、且つ、排気ポート２４側では燃焼室２０の下部から上部に向かうように旋回するものであってもよい。但しこの場合は、点火プラグ３２の配置箇所を、排気バルブ２８側から吸気バルブ２６側に変更する必要がある。点火プラグ３２の配置箇所をこのように変更すれば、タンブル流の流れ方向において、インジェクタ３０の下流側に点火プラグ３２が位置することになるので、膨張行程噴射による誘引作用を得ることができる。
更に言えば、燃焼室２０にタンブル流が形成されなくてもよい。上述したサイクル間の燃焼変動はタンブル流の形成の有無に関係なく発生するためである。

また、上記実施の形態では、インジェクタ３０による１回目の噴射（第１噴射）を吸気行程で行い、圧縮上死点よりも後の膨張行程において２回目の噴射（第２噴射）を行った。しかし、この１回目の噴射（第１噴射）を圧縮行程で行ってもよい。また、１回目の噴射（第１噴射）を複数回数に分割して行ってもよいし、分割後の噴射の一部を吸気行程で行い、残りを圧縮行程で行ってもよい。このように、１回目の噴射（第１噴射）の噴射時期および噴射回数については、各種の変形が可能である。

また、上記実施の形態では、図１４のステップＳ１０６の処理において、インターバル拡大用の補正値を一定値とした。しかし、インターバル拡大用の補正値は一定値でなくてもよい。例えば、図１５に示したＧａｔ３０のばらつきσとクライテリアの差が大きくなるほどインターバル拡大用の補正値が大きくなるように設定してもよい。このような設定を行う場合は、ＥＣＵ４０のＲＯＭに、Ｇａｔ３０のばらつきσとクライテリアの差と、インターバル拡大用の補正値との関係（図１６参照）を表すマップを記憶しておき、ステップＳ１０６の処理に際してここから読み出せばよい。

また、上記実施の形態では、図１４のステップＳ１０４の処理において、着火環境の変化に関する判定を触媒暖機制御の開始後におけるＧａｔ３０のばらつきσを用いて行った。しかし、このばらつきσの代わりに、点火期間の開始時期から、燃焼質量割合（ＭＦＢ）が１０％に到達するまでのクランク角期間（以下「ＳＡ−ＣＡ１０」ともいう。）のばらつきσを用いて行ってもよい。ＭＦＢは、燃焼室２０に別途設けた筒内圧センサ（図示しない）と、クランク角センサ４２とを利用して得られる筒内圧データの解析結果に基づいて算出され、算出したＭＦＢに基づいてＳＡ−ＣＡ１０が算出される。なお、筒内圧データの解析結果からＭＦＢを算出する手法や、ＳＡ−ＣＡ１０を算出する手法については、例えば特開２０１５−０９４３３９号公報や特開２０１５−０９８７９９号公報に詳述されていることから、本明細書での説明は省略する。

図１７は、燃焼変動率とＳＡ−ＣＡ１０のばらつきσとの関係を示す図である。また、図１８は、内燃機関の冷間始動時におけるＳＡ−ＣＡ１０のばらつきσの推移の一例を示した図である。図１７に示すように、ＳＡ−ＣＡ１０のばらつきσが大きくなるほど、燃焼変動率が大きくなる。つまり、ＳＡ−ＣＡ１０のばらつきσは、燃焼変動率と相関がある。そのため、例えば図１８の時刻ｔ_５から時刻ｔ_６までの間のように、触媒暖機制御の開始後におけるＳＡ−ＣＡ１０のばらつきσがクライテリアを上回ると判定された場合に、何らかの要因で着火環境が変化して望ましい範囲から外れており、膨張行程噴射による燃料噴霧と初期火炎が接触できなくなっている可能性があると判断して、図１４のステップＳ１０６以降の処理を行ってもよい。
更に言えば、Ｇａｔ３０やＳＡ−ＣＡ１０に限られず、点火期間においてクランク軸が６０°回転するのに要する時間（Ｇａｔ６０）、点火期間の開始時期からＭＦＢが５％に到達するまでのクランク角期間（ＳＡ−ＣＡ５）や、点火期間の開始時期からＭＦＢが１５％に到達するまでのクランク角期間（ＳＡ−ＣＡ１５）を用いてもよい。このように、膨張行程噴射による燃料噴霧と初期火炎の接触状態を判定できるパラメータ（サイクル間の燃焼変動に関連するパラメータ）であれば、上記実施の形態での着火環境の変化に関する判定の指標として用いることができる。

１０ 内燃機関
１２ 気筒
１４ シリンダブロック
１６ シリンダヘッド
１８ ピストン
２０ 燃焼室
２２ 吸気ポート
２４ 排気ポート
３０ インジェクタ
３２ 点火プラグ
３４ 電極部
３６ スロート
４０ ＥＣＵ
４２ クランク角センサ
４４ アクセル開度センサ
４６ 温度センサ

Claims (4)

1. 燃焼室上部に設けられて複数の噴孔から筒内に燃料を噴射するインジェクタと、
   放電火花を用いて筒内の混合気に点火する点火プラグであって、前記複数の噴孔から噴射される燃料の下流、且つ、前記複数の噴孔から噴射された燃料噴霧のうち前記点火プラグに最も近づく燃料噴霧の外郭面よりも上方に設けられる点火プラグと、
   前記燃焼室からの排気を浄化する排気浄化触媒と、を備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
   前記制御装置は、前記排気浄化触媒を活性化させる制御として、圧縮上死点よりも遅角側の点火期間で放電火花が発生するように前記点火プラグを制御すると共に、前記圧縮上死点よりも進角側での第１噴射と、前記圧縮上死点よりも遅角側での第２噴射であって、噴射期間が前記点火期間の少なくとも一部と重複する第２噴射と、を行うように前記インジェクタを制御し、
   前記制御装置は更に、サイクル間の燃焼変動に関連するパラメータが閾値を上回ると判定された場合は、前記パラメータが前記閾値を下回ると判定された場合に比べて、前記点火期間の開始時期から前記第２噴射の噴射期間の終了時期までのインターバルが拡大するように前記点火プラグと前記インジェクタを制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御装置は、前記パラメータが前記閾値を上回る場合は、前記パラメータと前記閾値の乖離量に応じて前記インターバルの拡大量を変更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. 前記第２噴射の終了時期が、前記点火期間の終了時期よりも進角側であ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. 前記パラメータが、クランク軸が所定角度回転するまでに要する時間のばらつき、または、前記点火期間の開始時期から燃焼質量割合が所定割合に到達するまでのクランク角期間のばらつきであることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

Images