JP2018178847A

JP2018178847A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2018178847A
Application number: JP2017078943A
Authority: JP
Inventors: 賢児星; Kenji Hoshi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-04-12
Also published as: DE102018108294A1; US20180298832A1; US10309322B2; CN108691682A; DE102018108294B4; CN108691682B; JP6784214B2

Abstract

【課題】燃焼室の上部に設けられたインジェクタと、燃焼室の上部におけるタンブル流の流れ方向のインジェクタよりも下流側に設けられた点火プラグと、を備える内燃機関において、点火プラグによる点火期間にインジェクタによる燃料噴射期間を重ねる制御によって排気浄化触媒を活性化するときの燃焼の安定化を図る。【解決手段】初期燃焼が不安定になっていると判定した場合に、エンジン回転速度を強制的に上昇させる。エンジン回転速度を強制的に上昇させると、筒内の流動性が上がる。筒内の流動性が上がれば、均質混合気の均質性が改善する。従って、図７に示すように、火炎核を肥大化させることができる。火炎核が肥大化すれば、この火炎核から生じる初期火炎も肥大化する。そうすると、初期火炎が最寄りの燃料噴霧を巻き込み易くなり、初期燃焼が安定化する。【選択図】図７

Description

この発明は内燃機関の制御装置に関する。詳しくは、筒内に燃料を噴射するインジェクタを備える火花点火式エンジンを制御する内燃機関の制御装置に関する。

特開２０１１−１０６３７７号公報には、筒内に燃料を噴射するインジェクタと、筒内の混合気に着火する点火プラグと、を燃焼室の上部に備えるエンジンが開示されている。インジェクタは、複数の噴孔を備えている。複数の噴孔のうち点火プラグの放電ギャップの中心位置に最も近い噴孔は、その中心位置が放電ギャップの中心位置から特定の距離だけ離されている。

この公報には、また、燃料噴射の開始後の所定時期から当該燃料噴射の終了時期までの間、点火プラグに高電圧を印加するエンジンの制御方法が開示されている。このエンジン制御は、燃料噴射期間に点火期間を重ねる制御である。噴射直後の燃料噴霧は、その周囲の空気を持ち去りながら噴射方向に進む。そのため、燃料噴射期間においては、燃料噴霧の周囲に低圧部が形成される（エントレインメント）。一方、点火期間においては、放電ギャップに放電火花が生じる。故に、燃料噴射期間に点火期間を重ねるエンジン制御を行うと、放電火花が低圧部に誘引される。このような誘引作用によれば、点火プラグ周辺の混合気の着火性を向上することができる。

特開２０１１−１０６３７７号公報特開２００８−１９０５１１号公報特開２０００−２８２９２０号公報特開平１１−２８０５２２号公報特開２００９−１８５６８８号公報

特開２０１１−１０６３７７号公報は、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。この公報での言及はないが、排気浄化触媒の活性化制御は、一般に、圧縮上死点よりも遅角側に点火期間（つまり、点火プラグへの高電圧の印加期間）を設定することにより行われる。従って、上述した誘引作用を一般的な活性化制御に適用すると、その活性化制御は、圧縮上死点よりも遅角側に設定した点火期間に燃料噴射期間を重ねる制御となる。

ところで、本発明者は、燃焼室内にタンブル流が生成されるエンジンにおいて、上述したような排気浄化触媒の活性化制御の検討を行っているところである。このエンジンは、インジェクタと、点火プラグと、を備えている。インジェクタは、複数の噴孔を備えている。点火プラグは、燃焼室の上部におけるタンブル流の流れ方向の、インジェクタよりも下流側に配置されている。点火プラグは、複数の噴孔から噴射された燃料噴霧のうち、点火プラグに最も近づく燃料噴霧の下流側に位置し、且つ、この最寄りの燃料噴霧の外郭面よりも上方に位置している。

検討に係る制御は、圧縮上死点よりも遅角側の点火期間に重ねる第１の燃料噴射と、当該圧縮上死点よりも進角側での第２の燃料噴射と、を行う制御である。第１の燃料噴射は、タンブル流の流れ方向に旋回する混合気を形成する。第２の燃料噴射は、上述した低圧部を生じさせる。従って、検討に係る制御を行うと、点火期間において生じた放電火花に加え、この放電火花と混合気とから生じた初期火炎と、が低圧部に誘引される。初期火炎を生じさせる混合気は、第１の燃料噴射に由来するものである。低圧部に誘引された初期火炎は、第２の燃料噴射に由来する燃料噴霧と接触して成長し、燃焼室内の残りの混合気を巻き込んで拡大する。この残りの混合気は、第１の燃料噴射に由来するものであって、初期火炎の生成に寄与しなかったものである。

本発明者は、検討に係る制御の思索において、次の問題を発見した。検討に係る制御が前提とするエンジンは、燃焼室の上部におけるタンブル流の流れ方向のインジェクタよりも下流側に点火プラグを備えている。そのため、燃焼室内に比較的強いタンブル流を発生させた場合は、タンブル流の流れ方向に初期火炎等が大きく移動してしまう。そうすると、低圧部による誘引にも関わらず、初期火炎等が第２の燃料噴射に由来する燃料噴霧と接触できず、燃焼が不安定になる可能性がある。そして、検討に係る制御中のサイクルにおいて、燃焼が不安定に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り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、燃焼室の上部に設けられたインジェクタと、燃焼室の上部におけるタンブル流の流れ方向のインジェクタよりも下流側に設けられた点火プラグと、を備える内燃機関において、点火プラグによる点火期間にインジェクタによる燃料噴射期間を重ねる制御によって排気浄化触媒を活性化するときの燃焼の安定化を図ることにある。

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、タンブル流が発生する燃焼室の上部に設けられる。前記インジェクタは、複数の噴孔から筒内に燃料を噴射する。
前記点火プラグは、前記燃焼室の上部に設けられて放電火花を用いて筒内の混合気に点火する。前記点火プラグは、前記燃焼室の上部におけるタンブル流の流れ方向の、前記インジェクタよりも下流側に配置される。前記点火プラグは、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下流側に位置し、尚且つ、前記最も近づく燃料噴霧の外郭面よりも前記燃焼室の上部側に位置する。
前記排気浄化触媒は、前記燃焼室からの排気を浄化する。
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。
前記制御装置は更に、初期燃焼の安定性に関するパラメータが閾値を上回ると判定した場合に、前記内燃機関の回転速度を強制的に上昇させる。

初期燃焼が不安定になっている場合には、初期燃焼の安定性に関するパラメータが閾値を上回る。このような場合に内燃機関の回転速度を強制的に上昇させると、筒内の流動性が上がる。筒内の流動性が上がれば、均質混合気の均質性が改善する。均質混合気の均質性が改善すれば、点火期間において均質混合気から生じる初期火炎が肥大化する。そうすると、初期火炎が第２噴射での燃料噴霧を巻き込み易くなり、初期火炎を成長させる燃焼が安定化する。

前記制御装置は、前記内燃機関の回転速度の変更後のサイクルにおいて、前記パラメータが前記閾値を上回ると再度判定した場合に、前記第１噴射での噴射量を増やすように前記インジェクタを制御してもよい。

内燃機関の回転速度の強制的な上昇にも関わらず、初期燃焼が不安定になっている場合には、初期燃焼の安定性に関するパラメータが閾値を上回る。このような場合に第１噴射での噴射量を増やせば、均質混合気の燃料濃度が高まる。均質混合気の燃料濃度が高まれば、点火プラグや放電火花の周囲の均質混合気の燃料濃度も高まる。そうすると、初期火炎を成長させる燃焼が安定化する。

前記制御装置は、前記内燃機関の回転速度の変更後のサイクルにおいて、前記パラメータが前記閾値を上回ると再度判定した場合に、前記第１噴射を複数回に分割して行うように前記インジェクタを制御してもよい。

内燃機関の回転速度の強制的な上昇にも関わらず、初期燃焼が不安定になっている場合には、初期燃焼の安定性に関するパラメータが閾値を上回る。このような場合に第１噴射を複数回に分割して行えば、均質混合気の均質性が高まる。そうすると、初期火炎を成長させる燃焼が安定化する。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、燃焼室の上部におけるタンブル流の流れ方向のインジェクタよりも下流側に点火プラグを備えるエンジンにおいて、点火プラグによる点火期間にインジェクタによる燃料噴射期間を重ねる制御によって排気浄化触媒を活性化するときの燃焼の安定化を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明する図である。図１に示したエンジン１０の始動直後の燃料噴射パターンの一例を示す図である。触媒暖機制御中の噴射開始時期、噴射期間、および電極部での放電期間を示す図である。膨張行程噴射での燃料噴射量との関係の一例を示す図である。膨張行程噴射による誘引作用を説明するための図である。誘引作用を活用した触媒暖機制御の問題点を説明する図である。本発明の実施の形態１に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。燃焼変動率とＳＡ−ＣＡ１０との関係を示す図である。本発明の実施の形態１において、図１に示したＥＣＵ４０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態２に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。本発明の実施の形態２において、図１に示したＥＣＵ４０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。膨張行程噴射での噴射量と、エンジンの冷却水温または油温との関係の一例を示した図である。参考例１に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。排気行程噴射の噴射期間（燃料噴射量）と、エンジンの冷却水温または油温との関係の一例を示した図である。参考例３に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。圧縮行程噴射の開始時期と、エンジン回転速度との関係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。

実施の形態１．
先ず、図１乃至図９を参照しながら、本発明の実施の形態１を説明する。

［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１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（以下、「エンジン」ともいう。）１０を備えている。エンジン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。エンジン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。エンジン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統に接続されている。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（以下、「最寄りの燃料噴霧」ともいう。）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、最寄りの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。

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）ＴＲは、３．５以上の高い値に設定されている。この理由は、エンジン１０が、高い圧縮比と、使用頻度の高い運転領域でのＥＧＲガスの大量導入と、を狙ったエンジンであるからである。圧縮比が高くなれば筒内の乱れが低下しており、この状態の筒内にＥＧＲガスが大量に導入されれば、上記運転領域での燃焼耐性が下がってしまう。このような理由から、タンブル比ＴＲが高い値に設定されている。なお、タンブル流の生成は、スロート３６によるものに限られない。例えば、タンブル比ＴＲを可変とするタンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）を吸気ポート２２等の吸気経路に設け、その開度を制御することによってタンブル流を生成させてもよい。

また、図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、制御装置としての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、燃焼室２０内のガスの圧力（筒内圧）を検出する圧力センサ４２と、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４４と、エンジン１０の冷却水温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によるエンジン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、エンジン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。触媒暖機制御は、エンジン１０の始動後、変速機のギヤがニュートラル状態とされる設定期間において行われる。設定期間は、エンジンの始動時における温度センサ４６の検出値に基づきＥＣＵ４０によって算出される。

触媒暖機制御について、図２乃至図４を参照して説明する。図２には、エンジン１０の冷間始動直後の燃料噴射パターンの一例が示されている。図２に示すように、始動直後は先ず、吸気行程での噴射（以下、「吸気行程噴射」ともいう。）と、圧縮行程での噴射（以下、「圧縮行程噴射」ともいう。）と、を組み合わせた燃料噴射パターンが採用される。その後、触媒暖機制御を開始すべく燃料噴射パターンが変更される。具体的には、圧縮行程噴射が、膨張行程での噴射（以下、「膨張行程噴射」ともいう。）に切り替えられる。つまり触媒暖機制御では、吸気行程噴射と膨張行程噴射とを組み合わせた燃料噴射パターンが採用される。

図３には、触媒暖機制御中の噴射開始時期、噴射期間、および電極部での放電期間（点火期間）が示されている。図３に示すように、吸気行程噴射はクランク角ＣＡ_１（一例としてＢＴＤＣ２８０°近傍）において開始される。電極部での放電期間ＣＰは、ＴＤＣよりも遅角側に設定される。ＴＤＣよりも遅角側に放電期間ＣＰを設定しているのは、排気温度を上昇させるためである。この放電期間ＣＰにおいて、膨張行程噴射が行われる。より詳細に述べると、放電期間ＣＰは、クランク角ＣＡ_２（一例としてＡＴＤＣ２５〜３５°）からクランク角ＣＡ_３までである。膨張行程噴射は、クランク角ＣＡ_２よりも遅角側のクランク角ＣＡ_４において開始され、クランク角ＣＡ_３よりも進角側のクランク角ＣＡ_５において終了する。

図３では、クランク角ＣＡ_２からクランク角ＣＡ_４までの間にインターバルＩＴが存在する。但し、インターバルＩＴがゼロでもよい。つまり、クランク角ＣＡ_２とクランク角ＣＡ_４が一致していてもよい。また、インターバルＩＴは、負の値でもよい。つまり、クランク角ＣＡ_２よりも進角側にクランク角ＣＡ_４が位置していてもよい。クランク角ＣＡ_２とクランク角ＣＡ_４との間の関係は、クランク角ＣＡ_３とクランク角ＣＡ_５との間にも当てはまる。すなわち、クランク角ＣＡ_３とクランク角ＣＡ_５が一致していてもよい。クランク角ＣＡ_３よりも進角側にクランク角ＣＡ_５が位置していてもよい。膨張行程噴射の噴射期間の少なくとも一部が放電期間ＣＰと重複する限りにおいて、クランク角ＣＡ_２，ＣＡ_３，ＣＡ_４，ＣＡ_５は変更可能である。この理由は、膨張行程噴射の噴射期間の少なくとも一部が放電期間ＣＰと重複していれば、後述する誘引作用が得られるからである。

膨張行程噴射の噴射期間は、触媒暖機制御中と同等の運転条件において得られる燃焼変動率と、膨張行程噴射での燃料噴射量との関係に基づいて設定されている。図４にはこの関係の一例が示されている。図４に示すように、触媒暖機制御中と同等の運転条件において得られる燃焼変動率は、特定の燃料噴射量の範囲において下に凸となる。膨張行程噴射の噴射期間は、この燃焼変動率が最も小さくなるときの燃料噴射量（一例として３〜５ｍｍ^３／ｓｔ程度）に相当する噴射期間として設定されている。

［誘引作用を活用した触媒暖機制御とその問題点］
図５は、膨張行程噴射による誘引作用を説明する図である。なお、説明の便宜上、図５には最寄りの燃料噴霧のみを示す。図５の上段には、電極部３４での放電期間中であって、膨張行程噴射の直前の筒内状態が描かれている。この上段に示すように、電極部３４での放電期間においては、電極部３４で生じた放電火花と、燃焼室２０内の均質混合気と、から火炎核が生じる。均質混合気は、吸気行程噴射による燃料噴霧に由来する混合気である。図５に示すように、放電火花は、タンブル流の流れ方向に延びる。火炎核は、タンブル流の流れ方向に流される。

図５の中段には、膨張行程噴射の直後の筒内状態が描かれている。この中段に示すように、膨張行程噴射を行うと、燃料噴霧の周囲に低圧部が形成される（エントレインメント）。そうすると、放電火花と、火炎核から生じた初期火炎と、が最寄りの燃料噴霧に誘引される。これにより、初期火炎が最寄りの燃料噴霧を巻き込んで拡大する。図５の下段には、図５の中段よりも僅かに後の筒内状態が描かれている。この下段に示すように、初期火炎は、最寄りの燃料噴霧を巻き込んで更に拡大する。このように、膨張行程噴射による誘引作用によれば、均質混合気から生じた初期火炎を成長させる燃焼（以下、「初期燃焼」ともいう。）を安定化させることができる。

ところで、既に説明したように、本実施の形態のエンジンは、タンブル比ＴＲが高い値に設定されているエンジンである。この理由も既に説明したように、ＥＧＲガスを大量に導入する運転領域での燃焼耐性の低下を抑えるためである。タンブル比ＴＲの高いタンブル流は、触媒暖機制御中においても生じる。しかし、このようなタンブル流が生じているということは、タンブル流の流れ方向に放電火花が延び易く、また、同方向に火炎核や初期火炎が流され易いことを意味する。図６(i)は、タンブル流の流れ方向に放電火花が大きく延び、同方向に火炎核が大きく流されているときの筒内状態を表している。筒内状態が図６(i)に示した状態にある場合、最寄りの燃料噴霧から放電火花や火炎核までの距離が大きくなる。そのため、初期火炎が最寄りの燃料噴霧を巻き込み難くなり、初期燃焼が不安定になる。

初期燃焼が不安定になる要因は、高い値に設定されたタンブル比ＴＲの他にもある。例えば、電極部または放電火花の周囲の均質混合気の空燃比が適当でないときは、初期燃焼が不安定になり易い。図６(ii)は、電極部の周囲の均質混合気の空燃比が過リッチであるのときの筒内状態を表している。筒内状態が図６(ii)に示した状態にある場合、空気が少なく燃焼自体が起こり難い。そのため、膨張行程噴射により放電火花を誘引できたとしても、初期燃焼が不安定になる。図６(iii)は、電極部の周囲の均質混合気の空燃比が過リーンであるときの筒内状態を表している。筒内状態が図６(iii)に示した状態にある場合、初期火炎が消え易い。そのため、膨張行程噴射により放電火花を誘引できたとしても、初期燃焼が不安定になる。

［本実施の形態に係る触媒暖機制御の特徴］
触媒暖機制御中に初期燃焼が不安定に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りドライバビリティに影響が出てしまう。そこで、本実施の形態では、触媒暖機制御中に初期燃焼の安定性に関する判定を行う。そして、初期燃焼が不安定になっていると判定した場合は、エンジン回転速度を強制的に上昇させる制御を行う。

図７は、本発明の実施の形態１に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。既に述べたように、本実施の形態では、初期燃焼が不安定になっていると判定した場合に、エンジン回転速度を強制的に上昇させる。エンジン回転速度を強制的に上昇させると、筒内の流動性が上がる。筒内の流動性が上がれば、均質混合気の均質性が改善する。従って、図７に示すように、火炎核を肥大化させることができる。火炎核が肥大化すれば、この火炎核から生じる初期火炎も肥大化する。そうすると、初期火炎が最寄りの燃料噴霧を巻き込み易くなり、初期燃焼が安定化する。

エンジン回転速度の強制的な上昇は、目標トルクの変更により実現する。変更前の目標トルクは、エンジン始動時に設定される目標トルクである。一般的な触媒暖機制御中の目標トルクは、エンジン始動時の目標トルクと同じ値に保持される。そのため、触媒暖機制御中のエンジン回転速度は概ね一定となる（図２参照）。これに対し、本実施の形態における変更後の目標トルクは、エンジン始動時の目標トルクよりも高い値とされる。目標トルクを高い値に変更すると、吸入空気量が増えてエンジン回転速度が上昇する。目標トルクの高い値への変更は、変速機の種類に依存しないので、エンジン回転速度を上昇させる手段として好ましい。他の手段として、クランク軸を回転させる回転機（例えば、モータジェネレータ）をスタータとは別にエンジンが備える場合、当該回転機によってエンジン回転速度を上昇させることもできる。

初期燃焼の安定性に関する判定は、ＳＡ−ＣＡ１０に基づいて判定される。ＳＡ−ＣＡ１０は、点火時期（つまり、電極部での放電開始時期）に対して着火遅れを伴って開始する初期燃焼の開始点（クランク角ＣＡ０）から、燃焼質量割合ＭＦＢが１０％となる燃焼点（クランク角ＣＡ１０）までのクランク角期間として定義されるものである。なお、ＭＦＢは、圧力センサ４２とクランク角センサ４４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。

上述したＳＡ−ＣＡ１０の定義から分かるように、ＳＡ−ＣＡ１０の値が小さいということは、ＭＦＢが０％から１０％となるまでの期間が長いということを意味する。反対に、ＳＡ−ＣＡ１０の値が大きいということは、ＭＦＢが０％から１０％となるまでの期間が短いということを意味する。図８は、燃焼変動率とＳＡ−ＣＡ１０との関係を示す図である。図８に示すように、ＳＡ−ＣＡ１０が長くなるほど燃焼変動率が大きくなり、その許容範囲を超えることになる。

本実施の形態に係る触媒暖機制御では、制御開始後の数十〜数百サイクルに亘り、実際に算出されたＳＡ−ＣＡ１０（以下、「実ＳＡ−ＣＡ１０」ともいう。）と、正常時のＳＡ−ＣＡ１０との差を算出する。そして、ＳＡ−ＣＡ１０の差の平均が所定クランク角（一例として５ｄｅｇ）以上長くなっている場合に、初期燃焼が不安定になっていると判定する。なお、正常時のＳＡ−ＣＡ１０については、事前の適合により設定する。

［具体的処理］
図９は、本発明の実施の形態１において、図１に示した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、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。）が選択されている間、繰り返し実行されるものとする。なお、触媒暖機モードは、各種の前提条件が成立した場合に選択される。前提条件には、システムに異常がないこと、暖機要求条件が成立すること、安全条件が成立すること、が含まれる。暖機要求条件には、エンジンの冷却水温または油温が所定範囲内であることが含まれる。安全条件には、触媒暖機制御の禁止要求が出されていないことが含まれる。

図９に示すルーチンにおいて、ＥＣＵ４０は、先ず、実ＳＡ−ＣＡ１０が正常時のＳＡ−ＣＡ１０よりも所定クランク角（５ｄｅｇ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。ＥＣＵ４０は、別途算出した実ＳＡ−ＣＡ１０と、正常時のＳＡ−ＣＡ１０（設定値）とを比較する。ステップＳ１０の判定結果が否定的である場合は、燃焼に特段の問題がないと判断できる。そのため、ＥＣＵ４０は本ルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ１０の判定結果が肯定的である場合は、初期燃焼が不安定になっていると判断できる。そのため、ＥＣＵ４０は、目標トルクをエンジン始動時の目標トルクよりも高い値に変更する（ステップＳ１２）。これにより、吸入空気量が増えてエンジン回転速度が上昇し、均質混合気の均質性が高まる。

以上、図９に示したルーチンによれば、実ＳＡ−ＣＡ１０に基づいて初期燃焼の安定性に関する判定を行うことができる。また、初期燃焼が不安定になっていると判定された場合には、目標トルクの変更によってエンジン回転速度を上昇させることができる。従って、触媒暖機モードの選択中の初期燃焼を安定化させることができる。

なお、上記実施の形態１においては、吸気行程噴射が本発明の「第１噴射」に相当している。触媒暖機制御中に行う膨張行程噴射が本発明の「第２噴射」に相当している。ＳＡ−ＣＡ１０が本発明の「初期燃焼の安定性に関するパラメータ」に相当している。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図１０乃至図１１を参照しながら説明する。なお、本実施の形態は図１に示したシステム構成を前提とすることから、その説明については省略する。

［実施の形態２に係る触媒暖機制御の特徴］
上記実施の形態１では、初期燃焼が不安定になっていると判定した場合に、目標トルクをエンジン始動時の目標トルクよりも高い値に変更した。しかし、このような目標トルクの変更にも関わらず、初期燃焼が安定化しない場合がある。そこで、本実施の形態では、目標トルクの変更後、初期燃焼の安定性に関する判定を再度行う。そして、初期燃焼が不安定になっていると判定した場合に、目標トルクの変更を継続しつつ、吸気行程噴射での噴射量を増やす。吸気行程噴射での噴射量を増やせば、均質混合気の燃料濃度を高めることができる。均質混合気の燃料濃度を高めれば、電極部の周囲の均質混合気の空燃比が過リーンであるときの問題（図６(iii)参照）が生じているときに、初期燃焼を安定化できる。

但し、吸気行程噴射の噴射期間を単に延長すると、電極部の周囲の均質混合気の空燃比が過リッチになってしまうおそれがある。これでは、図６(ii)で説明した問題が新たに生じてしまう。また、吸気行程噴射の噴射期間を単純に延長すると、燃焼室の壁面に噴射燃料が付着し易くなる。そうすると、エミッション規制の対象の１つである粒子数ＰＮ（Ｐarticulate Ｎumber）が増えてしまう。そこで、本実施の形態では、吸気行程噴射の噴射期間を延長し、尚且つ、この噴射期間を分割する。

図１０は、本発明の実施の形態２に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。図１０の上段には、上記実施の形態１に係る触媒暖機制御の概要が、図１０の下段には、本実施の形態に係る触媒暖機制御の概要が、それぞれ描かれている。図１０の上段と下段を比較すると分かるように、本実施の形態に係る触媒暖機制御は、吸気行程噴射の噴射期間が分割されている点において上記実施の形態１のそれと異なる。１回目の噴射期間ＩＰ_１’は、２回目の噴射期間ＩＰ_２’と同じ長さに設定されている。噴射期間ＩＰ_１’と噴射期間ＩＰ_２’は何れも、上記実施の形態１の吸気行程噴射の噴射期間ＩＰ_１よりも短い。但し、噴射期間ＩＰ_１’と噴射期間ＩＰ_２’の合計は、噴射期間ＩＰ_１よりも長い。噴射期間ＩＰ_１’はクランク角ＣＡ_１において開始される。噴射期間ＩＰ_１’はクランク角ＣＡ_１よりも遅角側のクランク角ＣＡ_６において開始される。

既に説明したように、吸気行程噴射での噴射量を増やせば、均質混合気の燃料濃度を高めることができる。吸気行程噴射を２回に分ければ、均質混合気の均質性を高めることもできる。吸気行程噴射を２回に分ければ、燃焼室の壁面への噴射燃料の付着を抑えることもできる。このように、本実施の形態に係る触媒暖機制御によれば、粒子数ＰＮの増大を抑えつつ、初期燃焼を安定化させることができる。

なお、目標トルクの変更後における初期燃焼の安定性に関する判定は、上記実施の形態１での判定と基本的に同じである。即ち、目標トルクの変更後の数十〜数百サイクルに亘って、実ＳＡ−ＣＡ１０と正常時のＳＡ−ＣＡ１０の差を算出する。そして、ＳＡ−ＣＡ１０の差の平均が所定クランク角（一例として５ｄｅｇ）以上長くなっている場合に、初期燃焼が不安定になっていると判定する。

［具体的処理］
図１１は、本発明の実施の形態２において、図１に示した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、触媒暖機モードが選択されている間、繰り返し実行されるものとする。

図１１に示すルーチンにおいて、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１０，Ｓ１２の処理を適宜行う。ステップＳ１０，Ｓ１２の処理は図９で説明した通りである。

ステップＳ１２に続いて、ＥＣＵ４０は、実ＳＡ−ＣＡ１０が正常時のＳＡ−ＣＡ１０よりも所定クランク角（５ｄｅｇ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ＥＣＵ４０は、別途算出した実ＳＡ−ＣＡ１０と、正常時のＳＡ−ＣＡ１０（設定値）とを比較する。ステップＳ１４の判定結果が否定的である場合は、目標トルクの変更によって初期燃焼が安定化したと判断できる。そのため、ＥＣＵ４０は本ルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ１４の判定結果が肯定的である場合は、目標トルクの変更にも関わらず、初期燃焼が不安定になっていると判断できる。そのため、ＥＣＵ４０は、吸気行程噴射での噴射量を増やし、尚且つ、吸気行程噴射を分割する（ステップＳ１６）。これにより、均質混合気の燃料濃度と均質性が高まる。

以上、図１１に示したルーチンによれば、目標トルクの変更によって触媒暖機モードの選択中の初期燃焼を安定化させることができる。また、目標トルクの変更によっても初期燃焼が安定化していないと判定された場合に、吸気行程噴射での噴射量を増やし、尚且つ、吸気行程噴射を分割することができる。従って、触媒暖機モードの選択中の燃焼を高い確率で安定化させることができる。

その他の実施の形態．
ところで、上記実施の形態１，２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。

上記実施の形態１，２では、ＳＡ−ＣＡ１０を利用して初期燃焼の安定性に関する判定を行った。しかし、ＳＡ−ＣＡ１０の代わりに、Ｇａｔ３０のばらつき（標準偏差）を利用して上述した判定を行ってもよい。クランク軸に設けられたロータには３０°ＣＡ間隔で歯が設けられており、クランク角センサ４４はロータが３０°ＣＡ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。

更に言うと、Ｇａｔ３０やＳＡ−ＣＡ１０に限られず、ロータが６０°ＣＡ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）、または、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、初期燃焼の安定性に関する判定には、初期燃焼の安定性と相関を有する任意のパラメータを用いることができる。

また、上記実施の形態２では、目標トルクの変更後に行った燃焼の安定性に関する判定の結果が肯定的である場合に、吸気行程噴射での噴射量を増やした。しかし、吸気行程噴射での噴射量を増やす代わりに、膨張行程噴射での噴射量を増やしてもよい。膨張行程噴射での噴射量を増やせば、初期火炎等の誘引作用を高めることができる。そのため、タンブル比ＴＲの高いタンブル流に起因する問題（図６(i)参照）が生じているときに、初期燃焼を安定化できる。図１２は、膨張行程噴射での噴射量と、エンジンの冷却水温または油温との関係の一例を示した図である。図１２に示すように、冷却水温または油温が低くなるほど多くなるように膨張行程噴射での噴射量を増やすことができる。このように膨張行程噴射での噴射量を増やせば、低温環境においても初期火炎の発生に必要な気化燃料を確保できる。更に言うと、図１２で説明した噴射量の増量を、上記実施の形態２で行った噴射量の増量に追加して行ってもよい。

また、上記実施の形態２では、目標トルクの変更後に行った燃焼の安定性に関する判定の結果が肯定的である場合に、吸気行程噴射の噴射期間を延長し、尚且つ、この噴射期間を分割した。しかし、吸気行程噴射での噴射期間を延長せずに、吸気行程噴射の噴射期間のみを分割してもよい。吸気行程噴射での噴射期間を延長しなければ、均質混合気の燃料濃度は変わらない。しかし、吸気行程噴射の噴射期間を分割すれば、少なくとも均質混合気の均質性を高めることができる。従って、初期燃焼を安定化させることができる。更に言うと、吸気行程噴射の噴射期間は、３回以上に分割してもよい。つまり、吸気行程噴射を３回以上行ってもよい。

参考例．
以下、本発明の検討の過程において本発明者らが考案した別の発明を参考例１〜４として開示する。なお、既述の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

［システム構成の説明］
参考例１〜４に係るシステムは、何れも、図１に示したシステム構成に、ポートインジェクタが追加されたシステムを前提とする。ポートインジェクタは、図１に示した吸気ポート２２に設けられている。ポートインジェクタは、図１に示したＥＣＵ４０によって操作されるアクチュエータに含まれる。図１に示したインジェクタ３０を開弁すると、燃料が直接、燃焼室２０に噴射される。これに対し、ポートインジェクタを開弁すると、燃料が吸気ポートに噴射される。ポートインジェクタからの燃料噴霧は、吸気ポート２２内の吸気と混ざり合い混合気を形成する。吸気ポート２２内の混合気は、図１に示した吸気バルブ２６の開弁に伴い、燃焼室２０に流入する。

参考例１．
［参考例１に係る触媒暖機制御の特徴］
上記実施の形態１，２同様、参考例１では、触媒暖機制御中に初期燃焼の安定性に関する判定を行う。但し、参考例では、初期燃焼が不安定になっていると判定した場合に、ポートインジェクタを用いた排気行程での噴射（以下、「排気行程噴射」ともいう。）を行う。図１３は、参考例１に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。図１３の上段には、上記実施の形態１に係る触媒暖機制御の概要が、図１３の下段には、参考例１に係る触媒暖機制御の概要が、それぞれ描かれている。図１３の上段と下段を比較すると分かるように、参考例１に係る触媒暖機制御は、吸気行程噴射に相当する噴射を、ポートインジェクタによる排気行程噴射として行っている。排気行程噴射は、クランク角ＣＡ_７において開始される。

排気行程噴射により形成される混合気は、吸気行程噴射により形成される混合気に比べて均質性に優れる。そのため、初期燃焼が不安定になっていると判定した場合に、吸気行程噴射の代わりに排気行程噴射を行えば、均質混合気の均質性を改善できる。従って、図７で説明した火炎核の肥大化を図ることができる。よって、初期火炎の肥大化を図ることができ、初期燃焼を安定化できる。

参考例２．
［参考例２に係る触媒暖機制御の特徴］
参考例２に係る触媒暖機制御では、参考例１で説明した排気行程噴射での燃料量を、冷却水温または油温に応じて変更する。図１４は、排気行程噴射の噴射期間（燃料噴射量）と、エンジンの冷却水温または油温との関係の一例を示した図である。図１４に示すように、冷却水温または油温が低くなるほど多くなるように排気行程噴射の噴射期間を延長する。このように排気行程噴射の噴射期間を延長すれば、低温環境においても初期火炎の発生に必要な気化燃料を確保できる。

参考例３．
［参考例３に係る触媒暖機制御の特徴］
参考例３に係る触媒暖機制御では、参考例１で説明した排気行程噴射にも関わらず、初期燃焼が安定化しない場合に、図１に示したインジェクタ３０を用いた圧縮行程での噴射（以下、「圧縮行程噴射」ともいう。）を行う。図１５は、参考例３に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。図１５の上段には、参考例１に係る触媒暖機制御の概要が、図１５の下段には、参考例３に係る触媒暖機制御の概要が、それぞれ描かれている。図１５の上段と下段を比較すると分かるように、参考例３に係る触媒暖機制御は、排気行程噴射と膨張行程噴射の他に、圧縮行程噴射を行っている。圧縮行程噴射は、クランク角ＣＡ_８において開始される。

圧縮行程噴射を行えば、電極部の周囲の均質混合気の燃料濃度を高めることができる。そのため、電極部の周囲の均質混合気の空燃比が過リーンであるときの問題（図６(iii)参照）が生じているときに、初期燃焼を安定化できる。

参考例４．
［参考例４に係る触媒暖機制御の特徴］
参考例４に係る触媒暖機制御では、参考例３で説明した圧縮行程噴射を開始するクランク角ＣＡ_８を、エンジン回転速度に応じて変更する。図１６は、圧縮行程噴射の開始時期と、エンジン回転速度との関係の一例を示した図である。図１６に示すように、エンジン回転速度が高くなるほど圧縮行程噴射の開始時期（つまり、クランク角ＣＡ_８）を遅角側のクランク角に変更する。このように圧縮行程噴射の開始時期を変更すれば、電極部の周囲の均質混合気の燃料濃度を放電期間ＣＰにおいて確実に高めることができる。

１０内燃機関（エンジン）
１２気筒
１６シリンダヘッド
２０燃焼室
３０インジェクタ
３２点火プラグ
４０ＥＣＵ

本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明する図である。図１に示したエンジン１０の始動直後の燃料噴射パターンの一例を示す図である。触媒暖機制御中の噴射開始時期、噴射期間、および電極部での放電期間を示す図である。膨張行程噴射での燃料噴射量と、燃焼変動率との関係の一例を示す図である。膨張行程噴射による誘引作用を説明するための図である。誘引作用を活用した触媒暖機制御の問題点を説明する図である。本発明の実施の形態１に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。燃焼変動率とＳＡ−ＣＡ１０との関係を示す図である。本発明の実施の形態１において、図１に示したＥＣＵ４０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態２に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。本発明の実施の形態２において、図１に示したＥＣＵ４０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。膨張行程噴射での噴射量と、エンジンの冷却水温または油温との関係の一例を示した図である。参考例１に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。排気行程噴射の噴射期間（燃料噴射量）と、エンジンの冷却水温または油温との関係の一例を示した図である。参考例３に係る触媒暖機制御の特徴を説明する図である。圧縮行程噴射の開始時期と、エンジン回転速度との関係の一例を示した図である。

Claims

タンブル流が発生する燃焼室の上部に設けられるインジェクタであって、複数の噴孔から筒内に燃料を噴射するインジェクタと、
前記燃焼室の上部に設けられて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、前記燃焼室の上部におけるタンブル流の流れ方向の、前記インジェクタよりも下流側に配置され、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下流側に位置し、尚且つ、前記最も近づく燃料噴霧の外郭面よりも前記燃焼室の上部側に位置する点火プラグと、
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、初期燃焼の安定性に関するパラメータが閾値を上回ると判定した場合に、前記内燃機関の回転速度を強制的に上昇させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記制御装置は、前記内燃機関の回転速度の変更後のサイクルにおいて、前記パラメータが前記閾値を上回ると再度判定した場合に、前記第１噴射での噴射量を増やすように前記インジェクタ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。
前記制御装置は、前記内燃機関の回転速度の変更後のサイクルにおいて、前記パラメータが前記閾値を上回ると再度判定した場合に、前記第１噴射を複数回に分割して行うように前記インジェクタを制御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。