JP2020172862A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】混合気の圧縮着火を誘発するために追加燃料を点火する場合に、排気エミッションの悪化及び失火を抑制する。【解決手段】内燃機関は、吸気行程において気筒２１内に燃料を供給する主燃料噴射弁１１と、圧縮行程において気筒内に燃料を供給する副燃料噴射弁１２と、気筒内で火花を発生させる点火装置１０と、主燃料噴射弁、副燃料噴射弁及び点火装置を制御する制御装置３１とを備える。制御装置は、点火装置が火花を発生させたときの放電波形に基づいて乱流強度を算出し、吸気行程において気筒内に供給された空気と燃料との混合気の当量比に基づいて層流燃焼速度を算出し、乱流強度及び層流燃焼速度に基づいて定められるペクレ数が閾値未満になるように副燃料噴射弁の燃料噴射量を決定する。【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関に関する。

燃費の向上や二酸化炭素の排出量の低減といった観点から内燃機関の熱効率を高めることが望まれている。内燃機関の熱効率を高めるためには、圧縮比又は比熱比を高める必要がある。例えば、希薄な混合気を圧縮着火させることで、比熱比を高めて内燃機関の熱効率を高めることができる。しかしながら、希薄な混合気を圧縮着火させる場合、混合気が安定して燃焼する負荷領域が狭く、燃焼の制御も困難であった。

そこで、希薄な混合気の圧縮着火を促進するために、点火装置を用いて追加燃料を点火することが考えられる。例えば、二つの燃料噴射弁が設けられた内燃機関（例えば特許文献１参照）では、一方の燃料噴射弁を用いて希薄な混合気を生成した後に、他方の燃料噴射弁から追加燃料を供給し、追加燃料を点火して混合気の圧縮着火を誘発することができる。

特開２０１３−０９６２３４号公報

しかしながら、追加燃料の量が不足している場合には、失火が生じ、混合気の圧縮着火が誘発されない。一方、追加燃料の量が過剰である場合には、混合気の燃焼によるＮＯｘ、ＰＭ及びＣＯの発生量が多くなり、排気エミッションが悪化する。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、混合気の圧縮着火を誘発するために追加燃料を点火する場合に、排気エミッションの悪化及び失火を抑制することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、吸気行程において気筒内に燃料を供給する主燃料噴射弁と、圧縮行程において前記気筒内に燃料を供給する副燃料噴射弁と、前記気筒内で火花を発生させる点火装置と、前記主燃料噴射弁、前記副燃料噴射弁及び前記点火装置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記点火装置が火花を発生させたときの放電波形に基づいて乱流強度を算出し、吸気行程において前記気筒内に供給された空気と燃料との混合気の当量比に基づいて層流燃焼速度を算出し、該乱流強度及び該層流燃焼速度に基づいて定められるペクレ数が閾値未満になるように前記副燃料噴射弁の燃料噴射量を決定する、内燃機関が提供される。

本発明によれば、混合気の圧縮着火を誘発するために追加燃料を点火する場合に、排気エミッションの悪化及び失火を抑制することができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、主燃料噴射弁及び副燃料噴射弁の燃料噴射時間と燃料噴射量との関係を示す図である。 図３は、混合気を圧縮着火させるために吸気行程及び圧縮行程において行われる処理を時系列に示す図である。 図４は、第一実施形態における着火処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図５Ａは、第二実施形態における着火処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図５Ｂは、第二実施形態における着火処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図５Ｃは、第二実施形態における着火処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
最初に図１〜図４を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関を概略的に示す図である。内燃機関は車両に搭載される。

内燃機関は機関本体１を備える。機関本体１は、気筒２１が形成されたシリンダブロック２と、吸気ポート７及び排気ポート９が形成されたシリンダヘッド４と、クランクケースとを含む。シリンダヘッド４はシリンダブロック２の上に固定され、クランクケースはシリンダブロック２の下に固定される。シリンダヘッド４には吸気弁６及び排気弁８が配置される。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。

各気筒２１は吸気ポート７及び排気ポート９に連通している。また、各気筒２１内にはピストン３が配置され、ピストン３は気筒２１内を往復動する。ピストン３とシリンダブロック２との間には燃焼室５が形成される。

また、内燃機関は、点火装置１０、主燃料噴射弁１１及び副燃料噴射弁１２を備える。点火装置１０はイグニションコイル１０ａ及び点火プラグ１０ｂを含む。イグニションコイル１０ａは、鉄心（コア）と、鉄心に巻かれた１次コイル及び２次コイルとから構成される。イグニションコイル１０ａは、スイッチを介してバッテリに接続され、バッテリの電圧を昇圧する。

点火プラグ１０ｂは、シリンダヘッド４の内壁面の中央部に配置され、イグニションコイル１０ａに接続される。イグニションコイル１０ａによって生成された高電圧が点火プラグ１０ｂの中心電極と接地電極との間に印加されると、電極間に火花が発生する。したがって、点火装置１０は点火信号に応じて気筒２１内で火花を発生させることができる。

主燃料噴射弁１１は、シリンダヘッド４の内壁面周辺部に配置され、噴射信号に応じて燃料を気筒２１内に噴射する。副燃料噴射弁１２は、シリンダヘッド４の内壁面の中央部に点火プラグ１０ｂに隣接して配置され、噴射信号に応じて燃料を気筒２１内に噴射する。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。

各吸気ポート７は対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５等は、空気を気筒２１内に導く吸気通路を形成する。

吸気管１５内には、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路（具体的には吸気管１５）の開口面積を変更する。

一方、各排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９は排気管に連結される。排気マニホルド１９、排気管等は、混合気の燃焼によって生じた排気ガスを各気筒２１から排出する排気通路を形成する。

また、内燃機関は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１を備え、内燃機関の各種制御は、内燃機関に設けられた各種センサの出力等に基づいてＥＣＵ３１によって実行される。ＥＣＵ３１は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を備える。ＥＣＵ３１は制御装置の一例である。

ＥＣＵ３１には、各種センサの出力が入力される。本実施形態では、エアフロメータ４０、電圧センサ４１、ポジションセンサ４３及びクランク角センサ４４の出力がＥＣＵ３１に入力される。

エアフロメータ４０は、吸気通路、具体的にはスロットル弁１８よりも上流側の吸気管１５内に配置される。エアフロメータ４０は、吸気通路を流れる空気の流量を検出する。エアフロメータ４０はＥＣＵ３１に接続され、エアフロメータ４０の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

電圧センサ４１は、イグニションコイル１０ａの２次コイルに接続され、２次コイルの電圧、すなわち点火プラグ１０ｂの中心電極と接地電極との間に印加された電圧を検出する。電圧センサ４１はＥＣＵ３１に接続され、電圧センサ４１の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

ポジションセンサ４３は、内燃機関を搭載した車両に設けられたアクセルペダル４２に接続され、アクセル開度を検出する。ポジションセンサ４３はＥＣＵ３１に電気的に接続され、ポジションセンサ４３の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１はポジションセンサ４３の出力に基づいて内燃機関への要求出力を算出する。

クランク角センサ４４は、内燃機関のクランクシャフトが所定角度（例えば１５度）回転する毎に出力パルスを発生させる。クランク角センサ４４はＥＣＵ３１に電気的に接続され、クランク角センサ４４の出力は入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１はクランク角センサ４４の出力に基づいて機関回転数を算出する。

一方、出力ポート３７は、対応する駆動回路４５を介して、点火装置１０、主燃料噴射弁１１、副燃料噴射弁１２及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続され、ＥＣＵ３１はこれらを制御する。具体的には、ＥＣＵ３１は、点火装置１０の点火時期、主燃料噴射弁１１から噴射される燃料の噴射時期及び噴射量、副燃料噴射弁１２から噴射される燃料の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁１８の開度を制御する。

＜混合気の燃焼＞
本実施形態では、内燃機関の熱効率を高めるために希薄な混合気を圧縮着火させることによって混合気を燃焼させる。すなわち、本実施形態では、希薄燃焼が行われる。このため、主燃料噴射弁１１は、希薄な混合気が生成されるように、吸気行程において気筒２１内に燃料を供給する。具体的には、主燃料噴射弁１１は、混合気の空気過剰率λが１．９〜２．７になるように、吸気行程において気筒２１内に燃料を供給する。

しかしながら、希薄な混合気を圧縮着火させる場合、混合気が安定して燃焼する負荷領域が狭く、燃焼の制御も困難となる。そこで、本実施形態では、副燃料噴射弁１２から追加燃料を供給し、点火装置１０を用いて追加燃料を点火する。この結果、追加燃料の点火によって生じた火炎核によって気筒２１内の圧力及び温度を上昇するため、混合気の圧縮着火が誘発される。

このため、副燃料噴射弁１２は、主燃料噴射弁１１によって生成された希薄な混合気の圧縮着火を誘発すべく、圧縮行程において気筒２１内に燃料を供給する。このとき、副燃料噴射弁１２は、主燃料噴射弁１１から供給された燃料の量よりも少ない量の燃料を供給する。例えば、副燃料噴射弁１２は、主燃料噴射弁１１から供給された燃料の量の数％（例えば１％）程度の量の燃料を供給する。副燃料噴射弁１２は、主燃料噴射弁１１よりも最小燃料噴射量が少なくなるように、噴射前の燃料が溜まるサック部の容積がほぼゼロになるように構成されている。

図２は、主燃料噴射弁１１及び副燃料噴射弁１２の燃料噴射時間と燃料噴射量との関係を示す図である。図２に示されるように、副燃料噴射弁１２では、燃料噴射量が少ない領域においても燃料噴射量が燃料噴射時間に対して線形的に変化する。副燃料噴射弁１２の最小燃料噴射量（約０．４ｍｍ³）は、主燃料噴射弁１１の最小燃料噴射量（約８ｍｍ³）の１／２０程度である。

しかしながら、副燃料噴射弁１２から供給された追加燃料を点火させたとしても、追加燃料の量が不足している場合には、失火が生じ、混合気の圧縮着火が誘発されない。一方、追加燃料の量が過剰である場合には、混合気の燃焼によるＮＯｘ、ＰＭ及びＣＯの発生量が多くなり、排気エミッションが悪化する。

また、追加燃料の点火に伴う混合気の圧縮着火は気筒２１内の乱流の影響を受ける。火炎核の熱の移動において層流拡散に対する乱流拡散の比率が高くなると、火炎核の熱エネルギーの損失量が多くなる。このため、失火を防ぐためには、層流拡散に対する乱流拡散の比率に応じて火炎核の熱エネルギーの発生量を変化させる必要がある。

火炎核の熱エネルギーの発生量は、初期火炎核が大きいほど多くなる。また、追加燃料の量が多いほど、初期火炎核が大きくなる。したがって、追加燃料の量を変化させることによって、火炎核の熱エネルギーの発生量を変化させることができる。そこで、本実施形態では、ＥＣＵ３１は、層流拡散に対する乱流拡散の比率を表すペクレ（Peclet）数に基づいて、副燃料噴射弁１２の燃料噴射量を決定する。

ペクレ数Ｐは、乱流強度及び層流燃焼速度に基づいて定められ、下記式（１）によって表される。
Ｐ＝ｕ’・Δ／Ｓ_L・Ｒ…（１）
ここで、ｕ’は乱流強度を表し、Δは渦スケールを表し、Ｓ_Lは層流燃焼速度を表し、Ｒは点火エネルギーを表す。

上記式（１）の分母は火炎核の熱エネルギーの発生量を表し、上記式（１）の分子は火炎核の熱エネルギーの損失量を表す。したがって、ペクレ数Ｐは、火炎核の熱エネルギーの発生量に対する火炎核の熱エネルギーの損失量が多いほど大きくなる。上記式（１）における各パラメータは以下のように算出される。

ＥＣＵ３１は、点火装置１０が火花を発生させたときの放電波形に基づいて乱流強度ｕ’を算出する。乱流強度ｕ’は流速の変動成分として算出され、流速は例えば公知の手法（例えばKim J. & Anderson R.W. (1995) Spark anemometry of bulk gas velocity at the plug gap of a firing engine (No. 952459). SAE Technical Paper等）によって以下のように導出される。

点火装置１０が火花を発生させたときの点火装置１０の放電電圧Ｖは下記式（２）によって表される。
Ｖ＝Ｖｐ＋Ｖａ＋Ｖｃ＝ＥＬ＋Ｖａ＋Ｖｃ…（２）
ここで、Ｖｐは陽光柱電圧であり、Ｖａは陽極降下電圧であり、Ｖｃは陰極降下電圧であり、Ｅは電場であり、Ｌは火花経路の全長である。

上記式（２）を時間微分することによって下記式（３）が得られる。
ｄＶ／ｄｔ＝∂Ｅ／∂ｔ・Ｌ＋Ｅ∂Ｌ／∂ｔ…（３）
∂Ｅ／∂ｔを無視することができるため、上記式（３）は下記式（４）となる。
ｄＶ／ｄｔ＝Ｅ∂Ｌ／∂ｔ…（４）

また、火花経路が単純な長方形であると仮定すると、火花経路の全長Ｌは下記式（５）によって表される。
Ｌ＝２ｘ＋ｄ…（５）
ここで、ｘは火花の流れ方向の長さであり、ｄは点火プラグ１０ｂの中心電極と接地電極との間の距離である。

上記式（５）を上記式（４）に代入することによって、下記式（６）が得られる。
ｄＶ／ｄｔ＝Ｅ∂（２ｘ＋ｄ）／∂ｔ＝２Ｅｄｘ／ｄｔ＝２Ｅ・ｕ…（６）
ここで、ｕは流速を表し、流速ｕは下記式（７）によって表される。
ｕ＝（ｄＶ／ｄｔ）／２Ｅ…（７）

上記式（７）において、放電電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔ及び電場Ｅは２次コイルの電圧波形から得られる。このため、点火装置１０が火花を発生させたときの放電電圧波形に基づいて流速ｕが算出され、所定時間における流速ｕの変動成分として乱流強度ｕ’が算出される。したがって、ＥＣＵ３１は、点火装置１０が火花を発生させたときの放電電圧波形に基づいて乱流強度ｕ’を算出することができる。

渦スケールΔは、渦の大きさを表し、本実施形態では予め定められた固定値に設定される。また、ＥＣＵ３１は、例えばマップを用いて、吸気行程において気筒２１に供給された空気と燃料との混合気の当量比に基づいて層流燃焼速度Ｓ_Lを算出する。当量比は、理論空燃比（本実施形態では１４．６）を混合気の実際の空燃比で除算することによって算出され、空気過剰率λの逆数（１／λ）に想到する。当量比は、混合気の空燃比がリーンであるほど小さくなる。マップは、当量比が低いほど、すなわち混合気の空燃比がリーンであるほど層流燃焼速度Ｓ_Lが小さくなるように作成される。

ところで、乱流の影響が小さい場合には、副燃料噴射弁１２による燃料噴射が行われなくても、圧縮行程において混合気の圧縮着火が生じる。また、吸気行程における乱流強度は、圧縮行程における乱流強度よりも大きくなるが、圧縮行程における乱流強度と相関関係を有する。このため、ＥＣＵ３１は、最初に、吸気行程における乱流強度に基づいてペクレ数を算出し、ペクレ数に基づいて副燃料噴射弁１２による燃料噴射の有無を判定する。

上述したように、乱流強度は、点火装置１０が火花を発生させたときの放電波形に基づいて算出される。このため、ＥＣＵ３１は、吸気行程において点火装置１０に火花を発生させ、吸気行程において点火装置１０が火花を発生させたときの放電波形に基づいて吸気行程における乱流強度を算出する。なお、吸気行程では、混合気が圧縮されていないため、点火装置１０が火花を発生させたとしても、混合気の圧縮着火は生じない。また、ＥＣＵ３１は、ペクレ数を算出するとき、予め定められた固定値に点火エネルギーＲを設定する。

ＥＣＵ３１は、ペクレ数が第１閾値未満である場合には、副燃料噴射弁１２による燃料噴射が不要と判定し、圧縮行程において副燃料噴射弁１２によって燃料を供給しない。一方、ＥＣＵ３１は、ペクレ数が第１閾値以上である場合には、副燃料噴射弁１２による燃料噴射が必要と判定し、圧縮行程において副燃料噴射弁１２によって燃料を供給する。このことによって、混合気の圧縮着火を誘発させる必要があるときにのみ副燃料噴射弁１２によって燃料が供給されるため、燃料消費量を低減することができる。

圧縮行程において副燃料噴射弁１２によって燃料を供給する場合には、副燃料噴射弁１２の燃料噴射量を変化させることによって、ペクレ数の算出式（式（１））における点火エネルギーＲを変化させることができる。具体的には、点火エネルギーＲは、副燃料噴射弁１２の燃料噴射量が多いほど大きくなる。

このため、ＥＣＵ３１は、ペクレ数が第２閾値未満になるように副燃料噴射弁１２の燃料噴射量を決定する。このことによって、副燃料噴射弁１２の燃料噴射量が適切な値に設定され、排気エミッションの悪化及び失火を抑制することができる。

上述したように、吸気行程における乱流強度は圧縮行程における乱流強度と相関関係を有する。しかしながら、追加燃料の点火に伴う混合気の圧縮着火が圧縮行程において生じるため、副燃料噴射弁１２の燃料噴射量を決定する際に圧縮行程における乱流強度に基づいてペクレ数を算出することが望ましい。

このため、ＥＣＵ３１は、副燃料噴射弁１２の燃料噴射量を決定するために、圧縮行程において点火装置１０に火花を発生させ、圧縮行程において点火装置１０が火花を発生させたときの放電波形に基づいて圧縮行程における乱流強度を算出する。なお、副燃料噴射弁１２による燃料供給が必要であると判定されている場合には、副燃料噴射弁１２によって燃料が供給されていない状態で点火装置１０が火花を発生させたとしても、混合気の圧縮着火は生じない。

以下、図３を参照して、混合気を燃焼させるための制御の制御フローを説明する。図３は、混合気を圧縮着火させるために吸気行程及び圧縮行程において行われる処理を時系列に示す図である。図３において、圧縮上死点前３６０度〜圧縮上死点前１８０度（３６０ＢＴＤＣ〜１８０ＢＴＤＣ）が吸気行程に相当し、圧縮上死点前１８０度〜圧縮上死点（１８０ＢＴＤＣ〜圧縮上死点）が圧縮行程に相当する。

図３に示されるように、吸気行程において、希薄な混合気を生成すべく、ＥＣＵ３１は主燃料噴射弁１１によって気筒２１内に燃料を供給する。また、主燃料噴射弁１１によって燃料が供給された後、ＥＣＵ３１は、吸気行程において点火装置１０に火花を発生させ、このときの放電波形に基づいて吸気行程における乱流強度を算出する。

図３の例では、ペクレ数が第１閾値以上となり、副燃料噴射弁１２による燃料供給が必要であると判定されている。このため、圧縮上死点前１８０度と圧縮上死点前６０度との間の圧縮行程において、ＥＣＵ３１は、点火装置１０に火花を発生させ、このときの放電波形に基づいて圧縮行程における乱流強度を算出する。また、ＥＣＵ３１は、層流燃焼速度及び圧縮行程における乱流強度に基づいて定められるペクレ数が第２閾値未満になるように副燃料噴射弁１２の燃料噴射量を決定する。

その後、圧縮上死点前６０度と圧縮上死点前３０度との間の圧縮行程において、ＥＣＵ３１は、副燃料噴射弁１２によって燃料を供給し、点火装置１０に火花を発生させる。この結果、圧縮上死点前３０度と圧縮上死点との間の圧縮行程において、初期火炎が形成され、初期火炎によって主燃焼が誘発される。

＜着火処理＞
以下、図４を参照して、第一実施形態における着火処理について詳細に説明する。図４は、第一実施形態における着火処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、気筒２１毎にＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ３１は、内燃機関への要求出力を算出する。要求出力はポジションセンサ４３の出力に基づいて算出される。

次いで、ステップＳ１０２において、ＥＣＵ３１は、要求出力に基づいて混合気の当量比及び主燃料噴射弁１１の燃料噴射量を決定する。ＥＣＵ３１は、最初に、例えばマップを用いて要求出力に基づいて混合気の当量比を決定する。混合気の空気過剰率λが高いほど、すなわち混合気の当量比が低いほど、内燃機関の熱効率が高くなる。このため、マップは、当量比に対する内燃機関の熱効率も考慮して作成される。

また、内燃機関への要求出力に応じてスロットル弁１８の開度が制御され、スロットル弁１８の開度に応じた量の空気が気筒２１内に吸入される。ＥＣＵ３１は、要求出力に基づいて決定した当量比の値と、吸入空気量とに基づいて、主燃料噴射弁１１の燃料噴射量を決定する。吸入空気量はエアフロメータ４０によって検出される。

次いで、ステップＳ１０３において、ＥＣＵ３１は、主燃料噴射弁１１の燃料噴射量がステップＳ１０２において決定された値になるように、吸気行程において主燃料噴射弁１１によって燃料を気筒２１内に供給する。

次いで、ステップＳ１０４において、ＥＣＵ３１は吸気行程における乱流強度ｕ’を算出する。具体的には、ＥＣＵ３１は、吸気行程において点火装置１０に火花を発生させ、点火装置１０が火花を発生させたときの放電電圧波形に基づいて乱流強度ｕ’を算出する。放電電圧波形は電圧センサ４１によって算出される。

次いで、ステップＳ１０５において、ＥＣＵ３１は上記式（１）によってペクレ数Ｐを算出する。上記式（１）において、乱流強度ｕ’としてステップＳ１０４において算出された値が用いられ、渦スケールΔとして予め定められた固定値が用いられ、点火エネルギーＲとして予め定められた固定値が用いられる。また、層流燃焼速度Ｓ_Lは、例えばマップを用いて、ステップＳ１０２において決定された当量比に基づいて算出される。

次いで、ステップＳ１０６において、ＥＣＵ３１は、ペクレ数Ｐが第１閾値ＴＨ１未満であるか否かを判定する。第１閾値ＴＨ１は、予め定められ、混合気の圧縮自着火のために副燃料噴射弁１２からの燃料供給が必要となるペクレ数Ｐの値の下限値に設定される。ペクレ数Ｐが第１閾値ＴＨ１以上であると判定された場合、すなわち副燃料噴射弁１２による燃料噴射が必要であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、ＥＣＵ３１は圧縮行程における乱流強度ｕ’を算出する。具体的には、ＥＣＵ３１は、圧縮行程において点火装置１０に火花を発生させ、点火装置１０が火花を発生させたときの放電電圧波形に基づいて乱流強度ｕ’を算出する。放電電圧波形は電圧センサ４１によって算出される。

次いで、ステップＳ１０８において、ＥＣＵ３１は副燃料噴射弁１２の燃料噴射量を決定する。具体的には、ＥＣＵ３１は、ステップＳ１０７において算出された乱流強度ｕ’及びステップＳ１０５において算出された層流燃焼速度Ｓ_Lに基づいて定められるペクレ数Ｐが第２閾値ＴＨ２未満になるように副燃料噴射弁１２の燃料噴射量を決定する。より具体的には、ＥＣＵ３１は、ペクレ数Ｐが第２閾値ＴＨ２未満になるときの点火エネルギーＲの最小値を算出し、例えばマップを用いて、この最小値に対応する副燃料噴射弁１２の燃料噴射量を算出する。

第２閾値ＴＨ２は、予め定められ、混合気の圧縮自着火のために副燃料噴射弁１２からの燃料供給が必要となるペクレ数Ｐの値の下限値に設定される。なお、圧縮行程における乱流強度が吸気行程における乱流強度よりも小さくなるため、第２閾値ＴＨ２は第１閾値ＴＨ１よりも小さい値に設定される。

次いで、ステップＳ１０９において、ＥＣＵ３１は、副燃料噴射弁１２の燃料噴射量がステップＳ１０８において決定された値になるように、圧縮行程において副燃料噴射弁１２によって燃料を気筒２１内に供給する。

次いで、ステップＳ１１０において、ＥＣＵ３１は圧縮行程において点火装置１０によって火花を発生させる。この結果、混合気が圧縮着火される。ステップＳ１１０の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０６においてペクレ数Ｐが第１閾値ＴＨ１未満であると判定された場合、すなわち副燃料噴射弁１２による燃料噴射が不要であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７〜ステップＳ１０９をスキップしてステップＳ１１０に進み、ＥＣＵ３１は圧縮行程において点火装置１０によって火花を発生させる。

上記のように副燃料噴射弁１２の燃料噴射量を決定することによって、以下のような追加の効果が得られる。例えば、オイルや燃料がデポジットとして吸気通路（例えば吸気ポート７）に堆積する場合には、乱流強度が低下するため、必要な追加燃料の量が少なくなる。このため、常に一定量の追加燃料が副燃料噴射弁１２から供給される場合、デポジットの堆積によって過剰な量の追加燃料が供給され、排気エミッションが悪化する。これに対して、本実施形態では、副燃料噴射弁１２の燃料噴射量を決定するために乱流強度が算出されるため、デポジットの堆積による乱流強度の低下を検出することができ、ひいては排気エミッションの悪化を抑制することができる。

また、従来の制御では、高負荷の運転状態において着火環境が改善したと判断され、追加燃料の量が低減される。しかしながら、高負荷の運転状態においてスロットル弁１８の開度が大きくされると、乱流強度が大きくなり、必要な追加燃料の量が多くなる。これに対して、本実施形態では、高負荷の運転状態における乱流強度の上昇を検出することができ、ひいては失火を抑制することができる。

また、従来の制御では、低負荷の運転状態において着火環境が悪化したと判断され、追加燃料の量が増加される。しかしながら、低負荷の運転状態においてスロットル弁１８の開度が小さくされると、乱流強度が小さくなり、必要な追加燃料の量が少なくなる。これに対して、本実施形態では、低負荷の運転状態における乱流強度の低下を検出することができ、ひいては排気エミッションの悪化を抑制することができる。

また、内燃機関に設けられた可変バルブタイミング機構を用いて、内燃機関の運転状態に応じて吸気弁６の閉弁時期を変化させる場合がある。この場合、従来の制御では、吸気弁６の閉弁時期が遅角側から吸気下死点に近付けられた場合には、実圧縮比の上昇によって着火環境が改善したと判断され、追加燃料の量が低減される。しかしながら、吸気弁６の閉弁時期が遅角側から吸気下死点に近付けられると、乱流強度が大きくなり、必要な追加燃料の量が多くなる。これに対して、本実施形態では、吸気弁６の閉弁時期の変更による乱流強度の上昇を検出することができ、ひいては失火を抑制することができる。

また、従来の制御では、吸気弁６の閉弁時期が吸気下死点から離れるように遅角側に変更された場合には、実圧縮比の低下によって着火環境が悪化したと判断され、追加燃料の量が増加される。しかしながら、吸気弁６の閉弁時期が吸気下死点から離れるように遅角側に変更されると、乱流強度が小さくなり、必要な追加燃料の量が少なくなる。これに対して、本実施形態では、吸気弁６の閉弁時期の変更による乱流強度の低下を検出することができ、ひいては排気エミッションの悪化を抑制することができる。

また、層流燃焼速度Ｓ_Lは筒内温度の影響も受ける。このため、ＥＣＵ３１は、例えばマップを用いて、吸気行程において気筒２１に供給された空気と燃料との混合気の当量比と、筒内温度とに基づいて層流燃焼速度Ｓ_Lを算出してもよい。このことによって、層流燃焼速度Ｓ_Lをより精度良く算出することができる。この場合、マップは、筒内温度が高いほど層流燃焼速度Ｓ_Lが大きくなるように作成される。また、この場合、筒内温度は、気筒２１内に配置された筒内温度センサによって検出され、又は吸気ポート７に配置された吸気温センサの出力に基づいて算出される。

筒内温度に基づいて層流燃焼速度Ｓ_Lが算出される場合、以下のような追加の効果が得られる。吸気ポート７に配置された気流制御弁等によって吸入空気の流路が絞られると、タンブル強度及び乱流強度が大きくなる。このような場合に、従来の制御では、着火環境が悪化したと判断され、追加燃料の量が増加される。しかしながら、流路を絞ることによって吸気温が上昇すると、層流燃焼速度が上昇し、必要な追加燃料の量が少なくなる。これに対して、本実施形態では、吸気温の上昇による層流燃焼速度の上昇を検出することができ、ひいては排気エミッションの悪化を抑制することができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態における内燃機関の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態における内燃機関と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第一実施形態では、サイクル毎に吸気行程における乱流強度が算出され、吸気行程における乱流強度に基づいて算出されたペクレ数に基づいて副燃料噴射弁１２による燃料噴射の有無が判定された。しかしながら、乱流強度はサイクル毎に常に変化するとは限らない。例えば、内燃機関の運転状態が定常状態である場合には乱流強度はほとんど変化しない。

乱流強度がほとんど変化しない場合には、追加燃料無しで混合気が圧縮着火するか否かは混合気の当量比に依存する。このため、第二実施形態では、ＥＣＵ３１は、内燃機関の運転状態が定常状態である場合には、吸気行程において気筒２１内に供給された空気と燃料との混合気の当量比のみに基づいて副燃料噴射弁１２による燃料噴射の有無を判定する。このことによって、乱流強度がほとんど変化しない場合に、簡易的な方法によって副燃料噴射弁１２による燃料噴射の有無を判定することができる。

具体的には、ＥＣＵ３１は、内燃機関の運転状態が定常状態であり且つ混合気の当量比が所定値以上である場合には、副燃料噴射弁１２による燃料噴射が不要と判定し、圧縮行程において副燃料噴射弁１２によって燃料を供給しない。一方、ＥＣＵ３１は、内燃機関の運転状態が定常状態であり且つ混合気の当量比が所定値未満である場合には、副燃料噴射弁１２による燃料噴射が必要と判定し、圧縮行程において副燃料噴射弁１２によって燃料を供給する。

＜着火処理＞
以下、図５Ａ〜図５Ｃを参照して、第二実施形態における着火処理について詳細に説明する。図５Ａ〜図５Ｃは、第二実施形態における着火処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、気筒２１毎にＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０３が図４のステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と同様に実行される。

ステップＳ２０３の後、ステップＳ２０４において、ＥＣＵ３１は、内燃機関の運転状態が定常状態であるか否かを判定する。例えば、ＥＣＵ３１は、連続するサイクル間の車速の変化量が所定値以下である場合に内燃機関の運転状態が定常状態であると判定し、連続するサイクル間の車速の変化量が所定値よりも大きい場合に内燃機関の運転状態が定常状態ではないと判定する。この場合、車速は、内燃機関を搭載する車両に設けられた車速センサによって検出される。なお、ＥＣＵ３１は、連続するサイクル間の機関負荷の変化量が所定値以下である場合に内燃機関の運転状態が定常状態であると判定し、連続するサイクル間の機関負荷の変化量が所定値よりも大きい場合に内燃機関の運転状態が定常状態ではないと判定してもよい。この場合、機関負荷は、ポジションセンサ４３の出力に基づいて算出される。

ステップＳ２０４において内燃機関の運転状態が定常状態であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５では、ＥＣＵ３１は、混合気の当量比が所定値未満であるか否かを判定する。

ステップＳ２０５において混合気の当量比が所定値未満であると判定された場合、すなわち副燃料噴射弁１２による燃料噴射が必要であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６〜ステップＳ２０９が図４のステップＳ１０７〜ステップＳ１１０と同様に実行され、ステップＳ２０９の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２０５において混合気の当量比が所定値以上であると判定された場合、すなわち副燃料噴射弁１２による燃料噴射が不要であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０６〜ステップＳ２０８をスキップしてステップＳ２０９に進む。

また、ステップＳ２０４において内燃機関の運転状態が定常状態ではないと判定された場合、本制御ルーチンはステップ２１０に進む。この場合、第一実施形態と同様に、ステップＳ２１０〜ステップＳ２１６が図４のステップＳ１０４〜ステップＳ１１０と同様に実行され、ステップＳ２１６の後、本制御ルーチンは終了する。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。

例えば、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、主燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように吸気ポート７に配置されてもよい。

また、点火プラグ１０ｂの中心電極と接地電極との間を流れる電流を検出する電流センサが内燃機関に設けられ、ＥＣＵ３１は、点火装置１０が火花を発生させたときの放電電流波形に基づいて乱流強度ｕ’を算出してもよい。

１０ 点火装置
１１ 主燃料噴射弁
１２ 副燃料噴射弁
２１ 気筒
３１ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 吸気行程において気筒内に燃料を供給する主燃料噴射弁と、
   圧縮行程において前記気筒内に燃料を供給する副燃料噴射弁と、
   前記気筒内で火花を発生させる点火装置と、
   前記主燃料噴射弁、前記副燃料噴射弁及び前記点火装置を制御する制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、前記点火装置が火花を発生させたときの放電波形に基づいて乱流強度を算出し、吸気行程において前記気筒内に供給された空気と燃料との混合気の当量比に基づいて層流燃焼速度を算出し、該乱流強度及び該層流燃焼速度に基づいて定められるペクレ数が閾値未満になるように前記副燃料噴射弁の燃料噴射量を決定する、内燃機関。

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