JP2019015237A - エンジンの制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグによる着火性を適切に確保し、安定した燃焼の実現に寄与する。【解決手段】エンジンは、点火プラグ６と、燃料噴射弁と、を備える。点火プラグ６のプラグギャップＧ近傍の混合気に運動量を付与して、燃焼を安定させるように点火プラグ６のプラグ放電チャネルＣの長さ（チャネル長さＬ）を制御する。【選択図】図５

Description

本発明は、点火プラグを備えるエンジンの制御方法および制御装置に関する。

リーン燃焼運転時に点火プラグの放電アーク伸長量を検出し、放電アーク伸長量がその要求値よりも小さい場合に、点火プラグの放電期間中に燃料噴射を行い、点火プラグの電極近傍に燃料噴霧による可燃層を形成する技術が存在する（特許文献１）。着火により生じた火炎核をこの可燃層に拡大および移動させることで、失火を防止し、サイクル毎の燃焼変動を抑制する。

特開２０１５−２００２６４号公報（段落００３６）

特許文献１の技術は、電極近傍における燃料の濃度調整により着火性を確保し、失火の対策を行うものである。よって、局所的な燃料の集中により排ガスの組成に影響を及ぼし易い傾向にあり、未燃成分の排出量が増大する懸念がある。

本発明は、点火プラグによる着火性を適切に確保し、安定した燃焼の実現に寄与することを目的とする。

本発明は、一形態において、エンジンの制御方法を提供する。

本発明の一形態に係る方法は、点火プラグと、燃料噴射弁と、を備えたエンジンの制御方法であって、点火プラグのプラグギャップ近傍の混合気に運動量を付与して、燃焼を安定させるように点火プラグのプラグ放電チャネルの長さを制御する。

本発明は、他の形態において、エンジンの制御装置を提供する。

点火プラグのプラグ放電チャネルを適切な長さに制御することが可能となる。これにより、着火性を確保し、安定した燃焼の実現に寄与することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る直噴エンジンの構成図である。 図２は、燃料噴射弁の噴霧ビームおよび噴霧ビーム重心線を示す説明図である。 図３は、エンジンの運転領域マップの一例を示す説明図である。 図４は、噴霧と点火プラグ（プラグギャップ）との位置関係の一例を示す説明図である。 図５は、本発明の一実施形態によりプラグ放電チャネルの伸びが助成される様子を模式的に示す説明図である。 図６は、噴霧と点火プラグ（プラグギャップ）との位置関係の他の例を示す説明図である。 図７は、本発明の他の実施形態によりプラグ放電チャネルの伸びが助成される様子を模式的に示す説明図である。 図８は、本発明のさらに別の実施形態によりプラグ放電チャネルの伸びが抑制される様子を模式的に示す説明図である。 図９は、本発明のさらに別の実施形態によりプラグ放電チャネルの伸びが抑制される様子を模式的に示す説明図である。 図１０は、燃料噴射弁の噴射動作の一例を示す説明図である。 図１１は、燃料噴射弁の噴射動作の他の例を示す説明図である。 図１２は、本発明の一実施形態に係る燃焼制御の全体的な流れを示すフローチャートである。 図１３は、燃料噴射弁の噴射動作のさらに別の例を示す説明図である。 図１４は、燃料噴射弁の噴射動作のさらに別の例を示す説明図である。 図１５は、チャネル長さの検出原理を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（エンジンの全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン（火花点火式の直噴エンジンであり、以下「エンジン」という）１の構成図である。

エンジン１は、シリンダブロック１Ａおよびシリンダヘッド１Ｂによりその本体が形成され、シリンダブロック１Ａおよびシリンダヘッド１Ｂにより包囲された空間としてシリンダまたは気筒が形成される。エンジン１は、複数の気筒を有する。

シリンダブロック１Ａには、ピストン２が気筒中心軸Ａｘに沿って上下に往復移動可能に挿入され、ピストン２は、コネクティングロッド３を介して図示しないクランクシャフトに連結されている。ピストン２の往復運動がコネクティングロッド３を通じてクランクシャフトに伝達され、クランクシャフトの回転運動に変換される。ピストン２は、冠面２１にキャビティ２１ａを有し、吸気ポート４ａを通じて筒内に吸入される空気の円滑な流れがピストンの冠面２１により阻害されるのを抑制する。

シリンダヘッド１Ｂには、ペントルーフ型の燃焼室Ｃｈを画定する下面が形成されている。シリンダヘッド１Ｂの下面とピストンの冠面２１とにより包囲される空間として燃焼室Ｃｈが形成される。シリンダヘッド１Ｂには、燃焼室Ｃｈとエンジン１の外部とを連通する通路として、気筒中心軸Ａｘの一側に一対の吸気通路４が、他側に一対の排気通路５が形成されている。そして、吸気通路４のポート部（吸気ポート）４ａには、吸気弁８が設置され、排気通路５のポート部（排気ポート）５ａには、排気弁９が設置されている。エンジン１の外部から吸気通路４に取り込まれた空気が吸気弁８の開期間中に筒内に吸入され、燃焼後の排気が排気弁９の開期間中に排気通路５に排出される。吸気通路４に図示しないスロットル弁が設置されており、スロットル弁により筒内に吸入される空気の流量が制御される。

シリンダヘッド１Ｂには、さらに、吸気ポート４ａおよび排気ポート５ａの間で、気筒中心軸Ａｘ上に点火プラグ６が設置され、気筒中心軸Ａｘの一側において、一対の吸気ポート４ａ、４ａの間に燃料噴射弁７が設置されている。燃料噴射弁７は、図示しない高圧燃料ポンプから燃料の供給を受け、筒内に燃料を直接噴射可能に構成されている。燃料噴射弁７は、マルチホール型の燃料噴射弁であり、気筒中心軸Ａｘに対して斜めに交差する方向に燃料が噴射されるように、換言すれば、後に述べる噴霧ビーム重心線ＡＦと気筒中心軸Ａｘとが鋭角に交差するように、気筒中心軸Ａｘの吸気ポート４ａ側に配置されている。本実施形態では、燃料噴射弁７は、点火プラグ６と吸気ポート４ａ、４ａとに包囲される位置に設けられている。このような配置に限らず、燃料噴射弁７は、吸気ポート４ａに対し、点火プラグ６とは反対側に設置することも可能である。

吸気通路４には、タンブル制御弁１０が設置され、タンブル制御弁１０により吸気通路４の開口面積が実質的に狭められ、筒内における空気の流動が強化される。本実施形態では、空気の流動として、吸気ポート４ａを通じて筒内に吸入された空気が、気筒中心軸Ａｘに対して吸気ポート４ａとは反対側、換言すれば、排気ポート５ａ側の筒内空間をシリンダヘッド１Ｂの下面からピストンの冠面２１に向かう方向に通過するタンブル流動Ｔが形成され、タンブル制御弁１０により、このタンブル流動Ｔが強化される。筒内流動の強化は、タンブル制御弁１０を設置することに限らず、吸気通路４の形状を変更することによっても達成することが可能である。例えば、吸気通路４をより直立に近い状態にして、筒内に空気が気筒中心軸Ａｘに対してより緩やかな角度で流入するような形状としたり、吸気通路４の中心軸をより直線に近い状態にして、筒内に空気がより強い勢いをもって流入するような形状としたりすればよい。

排気通路５には、排気浄化装置（図示せず）が介装されている。排気通路５に排出された燃焼後の排気は、排気浄化触媒により排気中の有害成分が浄化された後、大気中へ放出される。

（制御システムの構成）
エンジン１の運転は、エンジンコントローラ１０１により制御される。

本実施形態において、エンジンコントローラ１０１は、電子制御ユニットとして構成され、中央演算装置、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の各種記憶装置、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータからなる。

エンジンコントローラ１０１へは、アクセルセンサ２０１、回転速度センサ２０２および冷却水温度センサ２０３の検出信号が入力されるほか、図示しないエアフローメータおよび空燃比センサ等の検出信号が入力される。本実施形態では、さらに、電流センサ２０４が設けられ、その検出信号もエンジンコントローラ１０１に入力される。

アクセルセンサ２０１は、運転者によるアクセルペダルの操作量に応じた信号を出力する。アクセルペダルの操作量は、エンジン１に対して要求される負荷の指標となるものである。

回転速度センサ２０２は、エンジン１の回転速度に応じた信号を出力する。回転速度センサ２０２として、クランク角センサを採用することが可能であり、クランク角センサにより出力される単位クランク角信号または基準クランク角信号を単位時間当たりの回転数（エンジン回転数）に換算することで、回転速度を検出することができる。

冷却水温度センサ２０３は、エンジン冷却水の温度に応じた信号を出力する。エンジン冷却水の温度に代えて、エンジン潤滑油の温度を採用してもよい。

電流センサ２０４は、点火プラグ６の二次電流、具体的には、点火プラグ６の放電時に電極間に流れる二次電流に応じた信号を出力する。点火プラグ６の二次電流は、例えば、点火プラグ７に接続される駆動回路の二次コイルと直列に二次電流検出用の抵抗素子を設け、この抵抗素子を介して検出することが可能である。本実施形態では、この抵抗素子を含んで電流センサ２０４を構成する。

電圧センサ２０５は、点火プラグ６の二次電圧、具体的には、相互誘導作用により駆動回路の二次コイルに生じる電圧に応じた信号を出力する。

エンジンコントローラ１０１は、エンジン１の負荷、回転速度および冷却水温度等の運転状態に対して燃料噴射量等、エンジン１の各種運転制御パラメータが割り付けられたマップデータを記憶しており、エンジン１の実際の運転時において、エンジン１の運転状態を検出し、これをもとにマップデータを参照して燃料噴射量、燃料噴射時期および点火時期等を設定し、点火プラグ６および燃料噴射弁７の駆動回路に指令信号を出力する。

（燃料噴霧の説明）
図２は、燃料噴射弁７の噴霧ビームＢ１〜Ｂ６および噴霧ビーム重心線ＡＦを示している。

燃料噴射弁７は、マルチホール型の燃料噴射弁であり、本実施形態では、６つの噴孔を有する。噴霧ビーム重心線ＡＦは、燃料噴射弁７の先端と噴霧ビーム中心ＣＢとを結んだ直線として定義され、燃料噴射弁７の噴射方向は、噴霧ビーム重心線ＡＦに沿った方向として特定される。「噴霧ビーム中心」ＣＢとは、各噴孔から噴射される燃料により噴霧ビームＢ１〜Ｂ６が形成されるとして、噴射から一定時間が経過した時点での各噴霧ビームＢ１〜Ｂ６の先端を繋いだ仮想上の円の中心をいう。

（燃焼制御の説明）
本実施形態では、リーン燃焼による運転に際し、タンブル制御弁１０を閉じ、吸気通路４を部分的に閉塞させることで、筒内に形成されるタンブル流動Ｔを強化する。タンブル流動Ｔは、吸気行程でその成長が促され、強度を増大させる一方、圧縮行程に移ると、ピストン２の上昇とともに減衰し、崩壊する。ここで、点火プラグ６の放電時（つまり、点火時）にタンブル流動Ｔの減衰または崩壊により点火プラグ６のプラグギャップ近傍の流動が弱まっていると、点火プラグ６のプラグ放電チャネルを充分に伸長させることができず、燃焼が不安定となる場合がある。他方で、プラグギャップ近傍の流動が過度に強度を保ったままであると、プラグ放電チャネルが必要以上に伸長し、点火プラグ６のリストライクが頻発する原因となる。ここで、「プラグ放電チャネル」とは、放電時に点火プラグ６の電極間で生じるアークをいい、プラグギャップ近傍の流動が強い（換言すれば、混合気の流速が高い）ときほど伸長する傾向にある。

そこで、本実施形態では、点火を実行する際に、プラグ放電チャネルの長さ（以下「チャネル長さ」という場合がある）Ｌが適正値であるか否かを判定する。そして、その判定結果に応じて燃料噴射弁７により追加の燃焼噴射を実行し、プラグギャップ近傍の混合気に運動量を付与することで、チャネル長さＬを調整する。

図３は、エンジン１の運転領域マップを示している。

本実施形態では、エンジン負荷を問わず、エンジン１を実際に運転する領域全体で混合気の空気過剰率λを理論空燃比相当値（＝１）よりも高く設定するリーン燃焼を行う。リーン燃焼により運転する領域は、エンジン１の運転領域全体に限らず、一部の運転領域であってもよい。例えば、運転領域全体のうち低負荷域および中負荷域でリーン燃焼により運転を行い、高負荷域では、空気過剰率λを切り換え、理論空燃比相当値（＝１）として燃焼を行うことも可能である。

点火時におけるプラグギャップ近傍の流動は、タンブル流動Ｔの強度と相関し、エンジン回転速度が低いときほど弱まり、エンジン回転速度が高いときほど強まる傾向にある。そこで、本実施形態では、エンジン回転速度が低回転側の所定値よりも低い低回転域Ａにある場合に、チャネル長さＬが要求下限値よりも短い状態にあるとして、プラグ放電チャネルの伸びを助成する。他方で、エンジン回転速度が高回転側の所定値よりも高い高回転域Ｂにある場合に、チャネル長さＬが要求上限値よりも長い状態にあるとして、プラグ放電チャネルの伸びを抑制する。ここで、チャネル長さＬが要求下限値よりも長く、要求上限値よりも短い場合に、「チャネル長さが適正値にある」というものとする。

プラグ放電チャネルの伸びは、プラグギャップ近傍の混合気に対してプラグ放電チャネルの伸長方向の運動量を付与することで助成することが可能である。

図４は、噴霧ビームＢ１〜Ｂ６と点火プラグ６のプラグギャップＧとの位置関係を示している。

本実施形態では、噴霧ビーム重心線ＡＦを燃料噴射弁７の中心軸に対して傾斜させ、気筒中心軸Ａｘと噴霧ビーム重心線ＡＦとのなす角度を、気筒中心軸Ａｘと燃料噴射弁７の中心軸とのなす角度よりも拡大させている。これにより、噴霧を点火プラグ６に近付け、噴霧ビーム（例えば、噴霧ビームＢ４）がプラグギャップＧ近傍を通過するように方向付けている。

図５は、本実施形態によりプラグ放電チャネルＣの伸びが助成される様子を模式的に示している。

プラグギャップＧ近傍の混合気に対し、プラグギャップＧ近傍を通過する噴霧ビームＢによりプラグ放電チャネルＣの伸長方向の成分を有する運動量を付与することで、プラグ放電チャネルＣの伸びを助成する。燃料噴射前のプラグ放電チャネルＣ’を点線により示し、燃料噴射により運動量が付与され、伸びが助成されたプラグ放電チャネルＣを太い実線により示す。プラグ放電チャネルＣの伸長方向は、プラグギャップＧ近傍の混合気がタンブル流動Ｔにより運動量を付与される方向として定められる。

プラグギャップＧ近傍の混合気に付与する運動量は、運動量の収支計算により次のようにして求めることが可能である。
ｍ_gas・ｖ_gas＋ｍ_inj・ｖ_inj＝ｍ_gas・ｖ_trg …（１）

上式（１）において、左辺第１項（ｍ_gas・ｖ_gas）は、プラグギャップ近傍の混合気が燃料噴射前に有する運動量を示し、左辺第２項（ｍ_inj・ｖ_inj）は、燃料噴射によりプラグギャップ近傍の混合気に付与する運動量を示し、右辺は、燃料噴射による助成後の混合気が有する運動量（目標値）を示す。

左辺第２項からプラグギャップＧ近傍の混合気に付与する運動量を算出し、その大きさに応じて燃料噴射弁７の噴射期間または噴射圧力を制御する。具体的には、算出した運動量が大きいときほど、燃料噴射弁７の噴射期間を延長するか、噴射圧力を増大させる。

プラグ放電チャネルの伸びの助成は、プラグギャップ近傍の混合気をプラグ放電チャネルの後方から伸長方向に付勢するばかりでなく、プラグ放電チャネルの伸長方向前方の圧力を低下させることによっても可能である。

図６は、本発明の他の実施形態として、プラグ放電チャネルの伸長方向前方の圧力を低下させる場合の噴霧ビームＢ１〜Ｂ６と点火プラグ６のプラグギャップＧとの位置関係を示している。

本実施形態では、噴霧ビーム重心線ＡＦと燃料噴射弁７の中心軸とを平行に近付けるとともに、図４に示す状態に対し、点火プラグ６と燃料噴射弁７との配置を入れ替えている。換言すれば、燃料噴射弁７は、タンブル流動Ｔの方向に関して点火プラグ６の下流側に配置されている。そして、噴霧ビーム（例えば、噴霧ビームＢ４）がプラグ放電チャネルの伸長方向前方を、プラグ放電チャネルを横切る方向に通過するように方向付けている。

図７は、本実施形態によりプラグ放電チャネルＣの伸びが助成される様子を模式的に示している。

噴霧ビームＢをプラグ放電チャネルＣの伸長方向前方を通過させ、プラグギャップＧ近傍において、プラグ放電チャネルＣの伸長方向前方（具体的には、プラグ放電チャネルＣの伸長方向に関してプラグギャップＧの下流側の空間Ｓ）の圧力を低下させることで、プラグギャップＧ近傍の混合気に対し、プラグ放電チャネルＣの伸長方向の成分を有する運動量を付与することが可能である。これにより、プラグギャップＧ近傍の混合気を空間Ｓに向けて移動させ、プラグ放電チャネルＣの伸びを助成する。

これに対し、プラグ放電チャネルの伸びの抑制は、プラグギャップ近傍の混合気に対してプラグ放電チャネルの伸長方向とは異なる向きに運動量を付与し、この混合気が有する運動量を減殺することにより可能である。

図８は、本発明のさらに別の実施形態として、プラグ放電チャネルＣの伸びが抑制される様子を模式的に示している。

プラグギャップＧ近傍の混合気に対し、プラグギャップＧ近傍を通過する噴霧ビームＢによりプラグ放電チャネルＣの伸長方向とは反対方向の成分を有する運動量を付与することで、プラグ放電チャネルＣの伸びを抑制する。燃料噴射前のプラグ放電チャネルＣ’を点線により示し、燃料噴射により運動量が付与され、伸びが抑制されたプラグ放電チャネルＣを太い実線により示す。プラグ放電チャネルＣの伸長方向は、プラグギャップＧ近傍の混合気がタンブル流動Ｔにより運動量を付与される方向として定められ、噴霧ビームＢは、タンブル流動Ｔに対向する方向にプラグギャップＧ近傍を通過する。先に述べたのと同様に、プラグギャップＧ近傍の混合気に付与する運動量は、運動量の収支計算を示す上式（１）により算出することが可能である。

本実施形態によるチャネル長さの調整（伸びの抑制）は、例えば、図４に示す状態に対し、点火プラグ６と燃料噴射弁７との配置を入れ替え、燃料噴射弁７をタンブル流動Ｔの方向に関して点火プラグ６の下流側に配置することにより可能である。噴霧を点火プラグ６に近付けるため、噴霧ビーム重心線ＡＦを燃料噴射弁７の中心軸に対して傾斜させ、気筒中心軸Ａｘと噴霧ビーム重心線ＡＦとのなす角度を、気筒中心軸Ａｘと燃料噴射弁７の中心軸とのなす角度よりも拡大させる。

プラグ放電チャネルの伸びの抑制は、混合気の移動をプラグギャップ近傍でプラグ放電チャネルの伸長方向前方から阻害するばかりでなく、プラグ放電チャネルの伸長方向を逸らし、混合気を流動の弱い低流速領域に移動させることによっても可能である。

図９は、本発明のさらに別の実施形態として、プラグギャップ近傍の混合気を低流速領域に移動させる場合にプラグ放電チャネルＣの伸びが抑制される様子を模式的に示している。

プラグギャップＧ近傍の混合気に対し、噴霧ビームＢをプラグ放電チャネルＣの横方向から衝突させ、混合気を点火プラグ６の外側電極後方の空間Ｓに移動させる。外側電極後方の空間Ｓは、タンブル流動Ｔに基づく局所的な流動の強度が小さい低流速領域であるため、混合気をこの空間Ｓに移動させることで、プラグギャップＧ近傍の混合気が有する運動量を減殺することが可能であり、プラグ放電チャネルＣの伸びを抑制することができる。

本実施形態では、例えば、噴霧が有する運動量をプラグ放電チャネル前方の圧力を低下させる図７の場合よりも小さくする。これは、燃料噴射弁７による燃料の噴射圧力を低下させたり、噴射期間を短縮させたりすることにより可能である。

図１０、１１は、点火プラグ６の点火時期Ｉｇおよび燃料噴射弁７の燃料噴射時期ＩＴを示している。噴射期間Ａ、Ｂのうち、チャネル長さＬが適正値にある場合を上段Ａに、チャネル長さＬが適正値になく、その調整（プラグ放電チャネルの伸びの助成または抑制）を要する場合を下段Ｂに示している。

本実施形態では、エンジン１の運転状態が低回転域Ｒ１にあるか、高回転域Ｒ２にある場合にチャネル長さＬが適正値になく、その調整を要するものとし、それ以外の運転領域Ｒ３にある場合にチャネル長さＬが適正値にあるものとする（図３）。

チャネル長さＬが適正値にある運転領域Ｒ３では、一燃焼サイクル当たりの燃料を吸気行程中に行う１回の噴射動作により供給する。エンジンコントローラ１０１は、吸気行程中の燃料噴射時期ＩＴ１を設定し、燃料噴射時期ＩＴ１から燃料噴射量に応じた期間に亘って継続する噴射パルスを燃料噴射弁７に出力する。燃料噴射弁７は、噴射パルスにより駆動され、燃料を噴射する。運転領域Ｒ３において、点火時期Ｉｇは、圧縮行程中に設定する。

これに対し、チャネル長さＬが適正値にない運転領域Ｒ１またはＲ２では、一燃焼サイクル当たりの燃料を２回に分けて噴射する。エンジンコントローラ１０１は、燃料噴射時期として、吸気行程から圧縮行程前半の第１時期ＩＴ１と、圧縮行程後半の第２時期ＩＴ２とを設定し、各回の燃料噴射量に応じた期間に亘って継続する噴射パルスを、燃料噴射弁７に出力する。燃料噴射弁７は、噴射パルスにより第１時期ＩＴ１および第２時期ＩＴ２の夫々で開駆動され、燃料を噴射する。

チャネル長さＬの調整が点火プラグ６の放電開始後の燃料噴射によっても間に合う場合は、第２時期ＩＴ２の燃料噴射を点火時期Ｉｇよりも後に実行することが可能である（図１０）。これに対し、チャネル長さＬの調整が点火プラグ６の放電開始後の燃料噴射によっては間に合わない場合は、第２時期ＩＴ２の燃料噴射を点火時期Ｉｇよりも前に開始する（図１１）。例えば、低回転域Ｒ１でチャネル長さＬを調整する場合は、第２時期ＩＴ２の燃料噴射を点火時期Ｉｇ後に実行し、高回転域Ｒ２でチャネル長さＬを調整する場合は、第２時期ＩＴ２の燃料噴射を点火時期Ｉｇ前に開始する。これにより、単位クランク角当たりの実時間の変化に対し、プラグギャップＧ近傍の混合気に対してより確実に運動量を付与し、チャネル長さＬの調整を達成することが可能となる。

（フローチャートによる説明）
図１２は、本実施形態に係る燃焼制御の全体的な流れをフローチャートにより示している。エンジンコントローラ１０１は、図１２に示す制御ルーチンを所定時間毎に実行するようにプログラムされている。

Ｓ１０１では、エンジン１の運転状態として、アクセル開度ＡＰＯ、エンジン回転速度Ｎｅおよび冷却水温度Ｔｗ等を読み込む。アクセル開度ＡＰＯ等の運転状態は、アクセルセンサ２０１、回転速度センサ２０２および冷却水温度センサ２０３等の検出信号をもとに、別途実行される運転状態演算ルーチンにより算出する。

Ｓ１０２では、読み込んだ運転状態をもとに、一燃焼サイクル当たりの燃料噴射量ＦＱおよび燃料噴射時期ＩＴ（ＩＴ１）を設定する。燃料噴射量ＦＱの設定は、アクセル開度ＡＰＯおよびエンジン回転速度Ｎｅをもとに基本燃料噴射量ＦＱｂａｓｅを算出し、これに冷却水温度Ｔｗ等に応じた補正を施すことによる。燃料噴射量ＦＱは、噴射期間ないし噴射パルス幅Δｔに換算する。基本燃料噴射量ＦＱｂａｓｅおよび燃料噴射時期ＩＴの計算は、実験等を通じた適合により予め定められたマップデータからの検索により行うことが可能である。

Ｓ１０３では、点火時期Ｉｇを設定する。点火時期Ｉｇは、圧縮上死点直前、具体的には、ＭＢＴ（最適点火時期）またはその近傍の時期に設定する。

Ｓ１０４では、チャネル長さＬが要求上限値Ｌｍａｘ以下であるか否かを判定する。本実施形態では、エンジン１の運転状態が高回転域Ｒ２以外の運転領域（つまり、低回転域Ｒ１または中間領域Ｒ３）にある場合に、チャネル長さＬが要求上限値Ｌｍａｘ以下であるとして、Ｓ１０５へ進み、エンジン１の運転状態が高回転域Ｒ２にある場合に、点火時にプラグギャップ近傍で残存する流動が強く、チャネル長さＬが過度に伸長すると判定して、Ｓ１０６へ進む。

Ｓ１０５では、チャネル長さＬが要求下限値Ｌｍｉｎ以上であるか否かを判定する。本実施形態では、エンジン１の運転状態が低回転域Ｒ１以外の運転領域（つまり、中間領域Ｒ３）にある場合に、チャネル長さＬが要求下限値Ｌｍｉｎ以上であり、チャネル長さＬが適正値にあるとして、今回のルーチンによる制御を終了し、エンジン１の運転状態が低回転域Ｒ１にある場合に、点火時にプラグギャップ近傍で残存する流動が弱く、プラグ放電チャネルの伸びが充分でないと判定して、Ｓ１０７へ進む。

Ｓ１０６では、燃料噴射時期として第２時期ＩＴ２を設定する。これにより、例えば、図９に示すように燃料の弱噴射を実行し、プラグギャップＧ近傍の混合気を低流速領域Ｓに移動させることで、プラグ放電チャネルＣの伸びを抑制する。

Ｓ１０７では、燃料噴射時期として第２時期ＩＴ２を設定する。これにより、例えば、図７に示すように燃料の強噴射を実行し、噴射された燃料をプラグ放電チャネルＣの伸長方向前方を通過させることで、伸長方向前方の圧力を低下させ、プラグ放電チャネルＣの伸びを助成する。

本実施形態では、燃料噴射弁７（第２時期ＩＴ２に行う燃料噴射）およびエンジンコントローラ１０１により「運動量付与手段」が構成され、点火プラグ６、燃料噴射弁７およびエンジンコントローラ１０１により「エンジンの制御装置」が構成される。

本実施形態では、プラグ放電チャネルの伸びの助成および抑制の双方を実行可能とし、チャネル長さＬに応じてこれらの制御を切り換えることとしたが（Ｓ１０４〜１０５）、助成または抑制の方法によってはこれらのうちいずれかのみを実施するようにしてもよい。例えば、プラグ放電チャネルの伸びを図５に示す方法により助成する場合は、チャネル長さＬが適正値ないし要求下限値Ｌｍｉｎよりも短い場合に実施し（図１２に示すフローチャートで、Ｓ１０４および１０６の処理を廃止する）、プラグ放電チャネルの伸びを図８に示す方法により抑制する場合は、チャネル長さＬが適正値ないし要求上限値Ｌｍａｘよりも長い場合に実施する（図１２に示すフローチャートで、Ｓ１０５および１０７の処理を廃止する）。

以上が本実施形態に係る燃焼制御の内容であり、以下、本実施形態により得られる効果をまとめる。

（作用効果の説明）
第１に、点火プラグ６のプラグ放電チャネルＣをエンジン１の運転状態に応じた適切な長さに制御することが可能となる。これにより、着火性を確保し、安定した燃焼の実現に寄与する。ここで、プラグ放電チャネルＣ自体の長さを制御可能とすることで、局所的な燃料の集中を回避し、未燃成分の排出を抑制することができる。

第２に、チャネル長さＬが適正値になく、要求下限値Ｌｍｉｎよりも短い場合に、プラグ放電チャネルＣの伸びを助成することで、着火性を確保するうえで必要な長さＬのプラグ放電チャネルＣを形成可能とし、燃焼の安定化を促進することができる。

第３に、チャネル長さＬが適正値になく、要求上限値Ｌｍａｘよりも長い場合に、プラグ放電チャネルＣの伸びを抑制することで、プラグ放電チャネルＣが過度に伸長することによる点火プラグ６のリストライクを回避可能とし、燃焼の安定化を促進することができる。

第４に、プラグ放電チャネルＣの伸びを助成する場合に、燃料噴射弁７により噴射された燃料をプラグ放電チャネルＣの伸長方向前方を通過させ、当該チャネルＣ前方の空間Ｓにおける圧力を低下させるようにしたことで、プラグ放電チャネルＣの伸長方向に燃料を噴射する場合と比較して、噴射された燃料が点火プラグ６の電極に付着するのを抑えながら、プラグ放電チャネルＣの伸びを助成することが可能となる。

第５に、プラグ放電チャネルＣの伸びを抑制する場合に、プラグ放電チャネルＣの伸長方向とは異なる向きに燃料を噴射して、プラグ放電チャネルＣ近傍の混合気を低流速領域に移動させるようにしたことで、プラグ放電チャネルＣの伸長方向に対向する方向に燃料を噴射する場合と比較して、噴射された燃料が点火プラグの電極に付着するのを抑えながら、プラグ放電チャネルの伸びを抑制することが可能となる。

以上の説明では、エンジン１の運転状態が特定の運転領域、具体的には、低回転域Ｒ１または高回転域Ｒ２にあるか否かにより、一律に燃料噴射によるチャネル長さＬの調整を実行することとした。しかし、チャネル長さＬの調整は、これに限らず、点火に際してプラグ放電チャネルの長さＬを検出または推定し、検出または推定したチャネル長さＬに応じて実行するようにしてもよい。

チャネル長さＬは、放電時に点火プラグ６の二次コイルに生じる電圧（二次電圧）Ｖｓｃｄをもとに検出することが可能である。図１５は、チャネル長さＬの検出原理を示しており、図１５（ａ）は、放電時における二次電圧Ｖｓｃｄの波形を、同図（ｂ）は、二次電圧Ｖｓｃｄの変化の傾きΔＶとプラグ放電チャネルの伸長速度ΔＬとの関係を示している。

二次電圧Ｖｓｃｄの変化の傾きΔＶは、プラグ放電チャネルの伸長速度ΔＬに対する相関性を有し、伸長速度ΔＬが高いときほど、換言すれば、プラグ放電チャネルの伸びが早く、プラグ放電チャネルが長いと見積もられるときほど増大する傾向にある。図５および８は、プラグ放電チャネルの伸びを助成する場合（図５）と、抑制する場合（図８）と、のそれぞれについて、チャネル長さＬを示している。このように、本実施形態では、電極同士をつなぐプラグギャップの中心線からプラグ放電チャネルの先端までの距離ないし長さを、チャネル長さＬとする。図１５（ｂ）に示す傾向の参照テーブルを予め作成して、エンジンコントローラ１０１に記憶させ、実際の運転時に検出した傾きΔＶによりこの参照テーブルを検索することで、プラグ放電チャネルの伸長速度ΔＬを検出し、チャネル長さＬを検出する。点火プラグ６の二次電圧Ｖｓｃｄは、電圧センサ２０５の出力をもとに検出することが可能である。

本実施形態では、二次電圧Ｖｓｃｄの変化の傾きΔＶからチャネル長さＬを検出ないし推定するが、チャネル長さＬの検出は、これに限らず、点火プラグ６の二次電圧Ｖｓｃｄをもとに検出することも可能である。二次電圧Ｖｓｃｄは、プラグ放電チャネルが短く、プラグ放電チャネルを通じた電路抵抗が低くなるほど、その絶対値が小さくなる傾向にある。図１５（ａ）は、プラグ放電チャネルが相対的に短い場合を実線により、長い場合を二点鎖線により示している。

チャネル長さＬの調整が点火プラグ６の放電開始後の燃料噴射によっても間に合う場合は、図１０により先に示した例によることが可能である。具体的には、点火時期Ｉｇに点火プラグ６に通電した際に検出される二次電圧Ｖｓｃｄからその変化の傾きΔＶを算出し、チャネル長さＬを検出するとともに、検出したチャネル長さＬが要求下限値Ｌｍｉｎよりも短い場合は、プラグ放電チャネルＣの伸びを助成する燃料噴射を実行し、他方で、検出したチャネル長さＬが要求上限値Ｌｍａｘよりも長い場合は、プラグ放電チャネルＣの伸びを抑制する燃料噴射を実行する。

これに対し、チャネル長さＬの調整が点火プラグ６の放電開始後の燃料噴射によっては間に合わない場合は、点火時期Ｉｇよりも前に着火に至らない程度の微弱放電を実施し、微弱放電に際して検出される二次電圧Ｖｓｃｄから傾きΔＶを算出し、チャネル長さＬの調整の要否を判定する。図１４は、微弱放電による場合の燃料噴射時期ＩＴおよび点火時期Ｉｇを示している。

点火時期Ｉｇよりも前の、クランク角位置Ｉｇｐｒｅにより示す圧縮行程中の時期に点火プラグ６の微弱放電を実施する。そして、二次電圧Ｖｓｃｄの変化の傾きΔＶから算出したチャネル長さＬが適正値である場合は、噴射期間の上段Ａに示すように、エンジン出力を生じさせるための、吸気行程中の燃料噴射のみを実行する。他方で、チャネル長さＬが適正値にない場合は、下段Ｂに示すように、吸気行程中の燃料噴射に加え、チャネル長さＬの調整を目的とした圧縮行程中の燃料噴射を実行する。燃料噴射弁７の噴射期間および噴射圧力は、プラグギャップ近傍の混合気に付与する運動量に応じて調整すればよい。チャネル長さＬの調整が点火プラグ６の放電開始後の燃料噴射によっては間に合わないことから、圧縮行程中に行う燃料噴射は、点火時期Ｉｇよりも前に開始する。

このように、プラグ放電チャネルの長さＬを検出し、検出したチャネル長さＬに応じて燃料噴射弁７の噴射動作を制御し、プラグ放電チャネルの伸びを助成または抑制することで、サイクル毎の燃焼変動に対処することが可能となるとともに、不要な燃料噴射の実施を回避し、燃費を削減することができる。

チャネル長さＬに基づく調整要否の判定は、チャネル長さＬの調整が点火プラグ６の放電開始後の燃料噴射により間に合う場合であっても適用することが可能である。図１３は、その場合の燃料噴射時期ＩＴおよび点火時期Ｉｇを示している。

点火時期Ｉｇ前の時期Ｉｇｐｒｅに微弱放電を実施して、二次電圧Ｖｓｃｄの変化の傾きΔＶからチャネル長さＬを検出する。そして、チャネル長さＬが適正値にある場合は、噴射期間の上段Ａに示すように、吸気行程中の燃料噴射のみを実行し、チャネル長さＬが適正値にない場合は、下段Ｂに示すように、吸気行程中の燃料噴射に加えて圧縮行程中の燃料噴射を実行する。チャネル長さＬの調整が点火プラグ６の放電開始後の燃料噴射によっても間に合うことから、圧縮行程中に行う燃料噴射は、点火時期Ｉｇよりも後に開始することが可能である。

以上の説明では、プラグギャップ近傍の混合気に対し、燃料噴射弁７により運動量を付与した。プラグギャップ近傍の混合気に対する運動量の付与は、燃料を噴射するばかりでなく、プラグギャップ近傍の混合気に向けて水を噴射したり、空気を吹き付けたりすることによっても可能である。

さらに、燃料噴射弁７は、その中心軸と噴霧ビーム重心線ＡＦとのなす角度や、噴霧の広がり角（例えば、図２において、噴霧ビーム中心ＣＢに関する点対称の位置にある噴霧ビームＢ１、Ｂ４のなす角度）が可変に構成されたものであってもよい。例えば、燃料噴射弁７として、弁体のリフト量に応じて開放される噴孔が変化するように構成されたものを採用することができる。吸気行程中の燃料噴射では、リフト量を大きくして燃料の拡散を促進し、圧縮行程中の燃料噴射では、リフト量を微小にして噴霧の広がりを抑え、点火プラグ６に対する燃料の付着を抑制することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更および修正が可能である。

１…エンジン
２…ピストン
４…吸気通路
５…排気通路
６…点火プラグ
７…燃料噴射弁
８…吸気弁
９…排気弁
１０…タンブル制御弁
１０１…エンジンコントローラ
２０１…アクセルセンサ
２０２…回転速度センサ
２０３…冷却水温度センサ
２０４…電流センサ
２０５…電圧センサ
Ｃ…プラグ放電チャネル
Ｇ…プラグギャップ
Ｔ…タンブル流動
Ｂ（Ｂ１〜Ｂ６）…噴霧ビーム

Claims (9)

1. 点火プラグと、
   燃料噴射弁と、を備えたエンジンの制御方法であって、
   前記点火プラグのプラグギャップ近傍の混合気に運動量を付与して、燃焼を安定させるように前記点火プラグのプラグ放電チャネルの長さを制御する、エンジンの制御方法。
2. 前記燃料噴射弁を、前記点火プラグのプラグギャップ近傍に向けて燃料を噴射可能に配設し、
   前記燃料の噴射により、前記プラグギャップ近傍の混合気に対して前記プラグ放電チャネルの伸長方向の運動量を付与して、前記プラグ放電チャネルの伸びを助成する、請求項１に記載のエンジンの制御方法。
3. 前記燃料噴射弁により噴射された燃料を前記プラグ放電チャネルの伸長方向前方を通過させ、当該チャネル前方の圧力を低下させることで、前記プラグギャップ近傍の混合気に運動量を付与する、請求項２に記載のエンジンの制御方法。
4. 前記プラグ放電チャネルの長さを検出または推定し、
   検出または推定したチャネル長さがその要求値よりも短い場合に、前記プラグ放電チャネルの伸びを助成する、請求項２または３に記載のエンジンの制御方法。
5. 前記燃料噴射弁を、前記点火プラグのプラグギャップ近傍に向けて燃料を噴射可能に配設し、
   前記燃料の噴射により、前記プラグギャップ近傍の混合気が前記プラグ放電チャネルの伸長方向に有する運動量を減殺して、前記プラグ放電チャネルの伸びを抑制する、請求項１に記載のエンジンの制御方法。
6. 前記燃料噴射弁により、前記プラグ放電チャネルに対してその伸長方向とは異なる向きに燃料を噴射して、前記プラグギャップ近傍の混合気を前記伸長方向の流動が弱い低流速領域に移動させることで、前記プラグギャップ近傍の混合気が有する運動量を減殺する、請求項５に記載のエンジンの制御方法。
7. 前記プラグ放電チャネルの長さを検出または推定し、
   検出または推定したチャネル長さがその要求値よりも長い場合に、前記プラグ放電チャネルの伸びを抑制する、請求項５または６に記載のエンジンの制御方法。
8. 前記燃料噴射弁により、一燃焼サイクル中に、吸気行程から圧縮行程前半の期間に燃料を噴射する第１噴射動作と、圧縮行程後半に燃料を噴射する第２噴射動作と、を行い、
   前記第２噴射動作により、前記プラグ放電チャネルの長さを制御する、請求項２〜７のいずれか一項に記載のエンジンの制御方法。
9. 点火プラグと、
   燃料噴射弁と、
   前記点火プラグのプラグギャップ近傍の混合気に運動量を付与する運動量付与装置と、を備え、
   前記運動量付与装置は、前記点火プラグのプラグギャップ近傍の混合気に運動量を付与して、燃焼を安定させるように前記点火プラグのプラグ放電チャネルの長さを制御する、エンジンの制御装置。

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