JP5697697B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置、特に筒内噴射式内燃機関に於ける均質燃焼モード制御時及びスワール流動制御時の制御装置に関するものである。

近年に於いて、大気汚染や石油事情の変動等に伴い、内燃機関（以下、エンジンと称する）の排気ガスの浄化、及び燃費の向上が強く要求されており、エンジンの排気ガスの浄化及び燃費を向上させる方法として、エンジンに於ける混合気の燃焼状態を向上することが注目されている。

筒内噴射式火花点火エンジンに於ける混合気の燃焼状態を向上するためには、点火時の混合気の形成状態が重要となることが知られており、始動時や高負荷運転時に対して吸気行程で燃料を噴射して筒内全体に均質な混合気を形成して燃焼を行うよう制御する均質燃焼モード時に於いては、噴射された燃料を筒内全体に素早く拡散させ、且つ噴霧の蒸発を促進させ、且つ蒸発燃料と空気との混合に対して十分な期間を設けるよう制御して均質な混合気を形成することが非常に重要となってくる。

燃料噴霧の拡散を向上し、且つ噴霧の蒸発を促進させて良好な均質混合気を形成するには、筒内に形成する空気流動の制御と燃料噴射の制御が特に重要な要素であり、筒内に形成する空気流動を強化するよう制御することが必要となる。例えば、二つの吸気ポート間の吸気流量に差をつけることで筒内に偏流を生じさせて、筒内の横渦の空気流動（以下「スワール流動」と称する）を強化するよう制御を行い均質混合気形成の向上を図る制御方法は既に周知の技術である。

しかし、筒内に偏流を生じさせるスワール流動制御に於いては、噴射された燃料を筒内全体に素早く拡散させるが故に、噴霧の拡散を所望しない吸気バルブ（特に吸気バルブ閉弁時に燃焼室の外側に位置する吸気バルブ面）や点火プラグ先端近傍に噴霧が拡散し、それらと衝突して燃料が付着してしまう。特にエンジンが冷機時に於いては、この一旦付着した燃料が蒸発せずに粒径の大きな液滴として筒内に流入／残留することで排ガスが悪化したり、失火したりしてしまうため、良好な均質混合気を形成するには燃料が付着することを抑制する必要がある。

例えば、特許文献１に開示された装置では、均質燃焼モード制御時に於いて、スワール流動により舞い上がって点火プラグに付着した燃料がエンジンの温度が所定値以下では蒸発しないと判断し、スワール流動を弱めることで点火プラグ近傍への噴霧拡散および付着を抑制し、均質混合気形成の向上、失火の防止を図るようにしている。

特開２０１０−２７０７０７号公報

特許文献１に開示された従来の装置では、筒内に噴射された燃料をスワール流動で筒内全体に素早く拡散させ、且つ噴霧の蒸発を促進させる必要がある冷機時の運転状態にもかかわらず、スワール流動を低下させるよう制御しているため、点火プラグ近傍への噴霧拡散および付着を抑制することはできるものの、筒内の燃料噴霧が筒内全体に拡散しにくく、流動で燃料を微粒化することでの燃料噴霧の蒸発促進ができず、均質混合気の形成が悪化する。

この発明は、従来の装置に於ける前述のような課題を解決するためになされたもので、スワール流動を減衰させることなく燃料噴霧が吸気流量調節機構側の吸気バルブに付着するのを抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

この発明による内燃機関の制御装置は、
内燃機関の筒内に、直接、燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記筒内に接続された複数の吸気ポートのうちの少なくとも一つの吸気ポートに設けられ、前記筒内に流入する吸気流量を調節することにより前記複数の吸気ポートのうちの少なくとも一部の吸気ポートとの間で吸気流量に差を形成して前記筒内にスワール流動を形成させ得る吸気流量調節手段と、
前記筒内に形成された前記スワール流動の強度を演算するスワール強度演算手段と、
前記吸気流量調節手段により調節される前記吸気流量を補正する吸気流量調節補正量を演算する吸気流量調節補正量演算手段と、
前記演算された吸気流量調節補正量に基づいて、前記吸気流量調節手段により調節される前記吸気流量を補正する吸気流量調節補正手段と、
前記吸気流量調節補正量演算手段により演算される前記吸気流量調節補正量を制限する吸気流量調節補正制限手段と、
を備え、
前記吸気流量調節補正量演算手段は、前記内燃機関の冷却水温が所定の値以下の冷機状態にあり、且つ前記吸気流量調節手段が動作しているときであって、前記複数の吸気ポートのうちの少なくとも一つの吸気ポートから前記筒内に吸気される前のタイミングと前記吸気の途中のタイミングとのうちの少なくとも一方のタイミングで前記燃料噴射弁から前記燃料が噴射される場合に、前記吸気流量調節補正量を演算するように構成され、
前記吸気流量調節補正量演算手段により演算される前記吸気流量調節補正量は、前記演算された前記スワール流動の強度に応じた値であって、前記スワール流動を維持しつつ前記スワール流動の強度を減少させて前記吸気流量調節手段が設けられた吸気ポートの吸気バルブへの前記燃料の付着を抑制する値であり、
前記吸気流量調節補正制限手段は、前記筒内のスワール流動を減衰させないように前記吸気流量調節補正量の制限を行なう、
ことを特徴とするものである。

この発明による内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の筒内に、直接、燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記筒内に接続された複数の吸気ポートのうちの少なくとも一つの吸気ポートに設けられ、前記筒内に流入する吸気流量を調節することにより前記複数の吸気ポートのうちの少なくとも一部の吸気ポートとの間で吸気流量に差を形成して前記筒内にスワール流動を形成させ得る吸気流量調節手段と、前記筒内に形成された前記スワール流動の強度を演算するスワール強度演算手段と、前記吸気流量調節手段により調節される前記吸気流量を補正する吸気流量調節補正量を演算する吸気流量調節補正量演算手段と、前記演算された吸気流量調節補正量に基づいて、前記吸気流量調節手段により調節される前記吸気流量を補正する吸気流量調節補正手段と、前記吸気流量調節補正量演算手段により演算される前記吸気流量調節補正量を制限する吸気流量調節補正制限手段とを備え、前記吸気流量調節補正量演算手段は、前記内燃機関の冷却水温が所定の値以下の冷機状態にあり、且つ前記吸気流量調節手段が動作しているときであって、前記複数の吸気ポートのうちの少なくとも一つの吸気ポートから前記筒内に吸気される前のタイミングと前記吸気の途中のタイミングとのうちの少なくとも一方のタイミングで前記燃料噴射弁から前記燃料が噴射される場合に、前記吸気流量調節補正量を演算するように構成され、前記吸気流量調節補正量演算手段により演算される前記吸気流量調節補正量は、前記演算された前記スワール流動の強度に応じた値であって、前記スワール流動を維持しつつ前記スワール流動の強度を減少させて前記吸気流量調節手段が設けられた吸気ポートの吸気バルブへの前記燃料の付着を抑制する値であり、前記吸気流量調節補正制限手段は、前記筒内のスワール流動を減衰させないように前記吸気流量調節補正量の制限を行なうように構成されているので、筒内のスワール流動への影響を最小限にして吸気流量調節手段側の吸気バルブの付着を抑制することができ、筒内に良好な均質混合気を形成し、排ガス、燃費、およびドラビリを向上することができる。

この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置を含むシステム全体を示す構成図である。 均質燃焼モード制御、及びスワール流動制御時に於ける、スワール流動の強さが変化した時の燃料噴霧の形状及び吸気バルブへの衝突および付着度合いを示す説明図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、スワール強度とスワール制御バルブ開度基本補正量の特性を示すマップである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、水温と水温重み付け係数の特性を示すマップである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、スワール強度とスワール制御バルブ開度補正量最大値の特性を示すマップである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、均質燃焼モード制御及びスワール流動が制御されたときのスワール制御バルブ開度の補正を行う挙動を示すタイミングチャート図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、スワール制御バルブ開度補正量を示す説明図である。

本願発明の発明者の研究の結果によると、吸気バルブ近傍へ拡散する噴霧の量に対して最低限の弱い流動を噴霧に衝突させることで、スワール流動による吸気バルブへの付着が抑制できるだけでなく、筒内に形成されるスワール流動が減衰しないことが判明した。また、吸気バルブへ拡散する噴霧の量は、基本的にスワール流動の強さと相関関係があり、その関係は単純な比例関係ではないことが判明した。

ここで、スワール流動制御時に於いて、噴射時期を遅らせる、噴射方向を変更する、分割噴射するなどの燃料噴射制御や、排気還流ガスを増加する制御を行うことで、吸気バルブ付着を抑制するよう制御することが可能となる。しかし、それらの制御を行うと、筒内流動変化時と同様に均質混合気の形成、及び燃焼安定性が悪化する場合があり、付着および混合気形成の両立する制御は困難である。又、吸気バルブ又は吸気をヒータで暖める等の均質混合気形成、及び燃焼安定性が悪化しない制御で吸気バルブ付着を抑制するよう制御することが可能となるが、制御するための投入熱量が非常に大きく、その結果燃費が悪化する。そのため、スワール流動制御時に於いて、スワール流動が弱い方に於いて筒内流動にほぼ影響を及ぼさない程度のスワール流動を与え、そのスワール流動を用いて吸気バルブへの燃料噴霧の拡散、衝突、及び付着を抑制することが有効な手段である。この発明は、このような観点に鑑みてなされたものである。

以下、この発明の実施の形態について、図に基づいて説明する。尚、各図に於いて、同一、又は相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態1による内燃機関の制御装置に於いては、エンジンが均質燃焼モードで運転されており、燃料は吸気行程の初期に噴射されているものとする。又、以下述べるこの発明の実施の形態1では、均質燃焼モード運転時に於いて、吸気バルブが開弁している間にスワール流動によってスワール制御バルブ側の吸気バルブに燃料噴霧が付着する現象を鑑みて、スワール強度を演算し、スワール強度に応じてスワール制御バルブの開度を開側に補正する。

図１は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置のブロック図である。後述するエンジン制御用電子コントロールユニットに、この発明の実施の形態1による内燃機関の制御装置に各手段が記憶されている。図２は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置を含むシステム全体を示す構成図である。尚、一般的にエンジンには、複数のシリンダが設けられているが、図２及び以下の説明では、そのうちの１つのシリンダについてのみ述べる。

図２に於いて、エンジン１には、筒状のシリンダ２が設けられている。シリンダ２の軸線方向に往復自在なピストン３が設けられており、ピストン３の頂面には成層燃焼モード時に於けるシリンダ２の上部への成層混合気を形成のために、皿状に窪んだキャビティ４が形成されている。これ等のシリンダ２とピストン３によって、燃料と空気との混合気が燃焼する燃焼室５が形成されている。又、ピストン３の往復運動を回転運動に変換するクランク軸６が設けられており、クランク軸６の回転角度（クランク角）を検出するクランク角センサ７が設けられている。更に、シリンダ２には、エンジン１を冷却するための冷却水（図示せず）の温度に応じた電圧を出カする水温センサ８が設けられている。

シリンダ２内（以下「筒内」と記す）に空気を吸入する吸気マニホールド９と、燃焼室５内で混合気が燃焼して生成された排気ガスを排出する排気マニホールド１０とがシリンダ２に接続されている。又、シリンダ２には、燃焼室５と吸気マニホールド９との間を開閉する吸気バルブ１１と、燃焼室５と排気マニホールド１０との間を開閉する排気バルブ１２とが夫々２つ（図２では１つずつのみ図示）が取り付けられている。適切な開弁時期及び適切なリフト量で吸気バルブ１１及び排気バルブ１２を制御するために、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の上部には、吸気可変バルブ機構１３と排気可変バルブ機構１４それぞれ設置されている。

シリンダ２の頂部には、適切なタイミングで筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１５が取り付けられている。更に、シリンダ２の頂部には、燃焼室５に形成された混合気に火花点火する点火プラグ１６が取り付けられており、点火プラグ１６に高電圧エネルギを供給する点火コイル１７が取り付けられている。

吸気マニホールド９には、２つあるうちの片方の吸気バルブ１１（他方の吸気バルブ１１１は図３参照）に通じる吸気マニホールド９の流路の少なくとも一部を閉塞するスワール制御バルブ１８が取り付けられている。このスワール制御バルブ１８は、吸気流量を調節可能とする吸気流量調節手段を構成する。ここで、スワール制御バルブ１８は、スワール制御バルブ１８の開度が小さくなれば吸気マニホールド９の閉塞領域が拡大するように、吸気マニホールド９に設置されている。スワール制御バルブ１８の開度を小さくし、吸気マニホールド９における閉塞領域が拡大した場合、スワール制御バルブ１８が設置されている吸気マニホールド９からシリンダ２へ流入する空気量が減少するため、シリンダ２には偏流が生じ、筒内により強いスワール流動が形成される。

吸気マニホールド９の上流側には、燃焼室５に吸入される空気を一時的にためるサージタンク１９が接続されており、サージタンク１９の上流側には、スロットルバルブ２０が接続されている。又、スロットルバルブ２０の下流側には、ブースト圧に応じた電圧を出力するブースト圧センサ２１が設けられている。

排気マニホールド１０の下流側には、排気ガス中の有害物質を取り除く触媒装置２２が接続されており、触媒装置２２の下流側には、排気ガスを外部に排気するテールパイプ２３が接続されている。また、排気マニホールド１０には、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ（図示せず）が設けられている。

エンジン制御用電子コントロールユニット２４（以下、ＥＣＵ２４と称する）は、演算処理をするＣＰＵ、プログラムデータや固定値データを記憶するＲＯＭ、格納されているデータを更新して順次書き換えられるＲＡＭ、及びＥＣＵ２４の電源が切られても格納されているデータを保持するバックアップＲＡＭを有するマイクロコンピュータ（図示せず）と、アクチュエータ駆動のための駆動回路（図示せず）と、各種信号の入出力を行うＩ／Ｏインターフェース（図示せず）とで構成されている。

ＥＣＵ２４のメモリには、スワール強度演算手段２５、吸気流量調節補正量演算手段２６、吸気流量調節水温補正手段２７、吸気流量調節補正制限手段２８、吸気流量調節補正手段２９、がソフトウェアとして記憶されている。又、ＥＣＵ２４には、水温センサ８、ブースト圧センサ２１からの電圧出力値がＡ／Ｄ変換されて入カされ、これらＡ／Ｄ変換された各出カ値は、それぞれ冷却水温Ｔ_Ｗ、ブースト圧Ｐｂとして上記各手段での演算に用いられる。また、ＥＣＵ２４にはクランク角センサ７の信号が割り込み入力されて、ＥＣＵ２４に内蔵されたタイマーとクランク角センサ７の信号とからエンジン回転数ＮＥが演算される。

次に、図１に於いて、スワール強度演算手段２５は、吸入空気量Ｑａ、バルブ開口面積Ａ_Ｖ、及び補正前スワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏに基づいて、スワール制御バルブが設置されていない方の吸気マニホールド９から吸気バルブ１１１を通過して筒内に吸入される流速と強い相関関係のあるスワール強度Ｓ_Ｗを演算する。その具体的な演算方法は、後述する図４を用いた制御の流れに基づいて説明する。

吸気流量調節補正量演算手段２６は、スワール強度Ｓ_Ｗに応じて予め設定されて一意に決定するスワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂの特性を用いてスワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂを演算する。その具体的な演算方法は、後述する図４を用いた制御の流れに基づいて説明する。

ここで、実施の形態1に於ける後述する吸気流量調節補正手段２９を適用していない場合に於いて、スワール流動の強さが変化した時の燃料噴霧の形状及び吸気バルブへの衝突及び付着度合いが変化する現象を、図３を用いて説明する。

均質燃焼モード制御、及びスワール流動制御時に於ける、スワール流動の強さが変化した時の燃料噴霧の形状及び吸気バルブへの衝突および付着度合いを示す説明図であって、吸気バルブ開弁後の吸気行程のタイミングで燃料が噴射されており、スワール流動形成のためにスワール制御バルブが全閉で制御中の状態にあり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順でスワール流動が強くなる条件（例えばエンジン回転数および負荷の増加）となっており、燃料噴射直後のタイミングにおけるスワール流動の強さ（図中矢印の太さ）と吸気バルブよりも上（ピストンが位置する方向とは逆）に位置する燃料噴霧の形状をそれぞれ表している。

図３の（ａ）に於いて、筒内流動としてのスワール流動３０が弱い場合（例えば、エンジン回転数及び負荷が低いとき）には、吸気マニホールド９が閉塞されていない方の吸気バルブ１１を通過する流速は低いため、筒内２の上部から噴射された燃料噴霧３１がスワール流動３０によって流されることはほとんどなく、噴霧は噴射の勢いによって吸気バルブ１１よりも下の位置にすばやく拡散する。よって、吸気バルブに付着する燃料は非常に少ない。

図３の（ｂ）に於いて、スワール流動３０が若干強くなった場合、筒内２の上部から噴射された燃料噴霧３１はスワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１へと流され始め、燃料噴霧３１が吸気バルブ１１より下の位置に拡散する前に吸気バルブ１１と干渉し、燃料噴霧が吸気バルブ１１に衝突し、これに付着してしまう。

図３の（ｃ）に於いて、更にスワール流動３０が強くなった場合、筒内２の上部から噴射された燃料噴霧３１はスワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１へと流される量が非常に多くなり、多くの燃料噴霧３１が吸気バルブ１１と衝突し、これに付着してしまう。

しかし、図３（ｄ）に於いて、スワール流動３０が非常に強い場合には、一旦排気バルブ１１の方向へと燃料噴霧３１が流された後、スワール流動３０で吸気バルブ１１の方向へと流されるようになるため、吸気バルブ１１近傍に燃料噴霧３１が到達するころには、燃料噴霧３１は吸気バルブ１１よりも下の位置に拡散しており、吸気バルブ１１に衝突及び付着する量は少なくなる。

前述の図３の現象に基づいて、スワール強度Ｓ_Ｗに応じたスワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂの特性が予めＥＣＵ２４に記憶されている。

図１の吸気流量調節水温補正手段２７は、水温Ｔ_Ｗに応じて水温重み付け係数ＳＣＶ_ＴＷを演算する。この演算に於いて、スワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂに対し、水温Ｔ_Ｗが低いほど補正量が大きくなるよう、水温重み付け係数ＳＣＶ_ＴＷが演算される。

吸気流量調節補正制限手段２８は、スワール強度Ｓ_Ｗに応じてスワール制御バルブ開度補正量最大値ＳＣＶ_ｈｍｘを演算する。この演算に於いて、スワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂに水温重み付け係数ＳＣＶ_ＴＷの補正が施されたスワール制御バルブ開度補正量とスワール制御バルブ開度補正量最大値ＳＣＶ_ｈｍｘの最小値が、最終的なスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈとして演算される。具体的な演算方法は、後述する図４を用いた制御の流れに於いて説明する。

吸気流量調節補正手段２９は、吸気流量調節補正量演算手段２６、吸気流量調節水温補正手段２７、及び吸気流量調節補正制限手段２８により演算されたスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈの分だけ増加するように補正して最終的なスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏが演算される。具体的な演算方法は、後述する図４を用いた制御の流れに於いて説明する。

前述のように構成されたこの発明の実施の形態1による内燃機関の制御装置に於いて、均質燃焼モード時、スワール流動制御中、所定水温以下の条件成立時、スワール強度を演算し、スワール制御バルブ開度補正量を演算し、スワール制御バルブ開度を補正する動作について、以下説明する。

図４は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の動作を示すフローチャートである。先ず、図４を参照しながら、スワール強度を演算し、スワール制御バルブ開度補正量を演算し、スワール制御バルブ開度を補正する動作を説明する。尚、この動作は、ＥＣＵ２４に於いて所定クランク角度毎に割り込んで実行される割り込みルーチン内のサブルーチンとして実行される。尚、この実施の形態１に於いては、所定クランク角度毎に割り込んで実行される割り込みルーチン内のサブルーチンとして実行されるが、所定時間周期のメインルーチン内のサブルーチンとして実行されても良い。

図4に於いて、先ず、ステップＳ１０１に於いてエンジン制御が均質燃焼モードであるか否かを判定する。均質燃焼モードは、例えばエンジン１の始動時や高負荷運転時などに条件が成立するものである。

ステップＳ１０１に於いて均質燃焼モードが成立していないと判定された場合（Ｎ）、ステップＳ１０２で初期化処理が実行される。ステップＳ１０２の初期化処理は、スワール強度Ｓ_Ｗ、スワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈにそれぞれ「０」を入力する。ステップＳ１０２の初期化処理が終了すると、何もせずサブルーチンを終了する。

Ｓ１０１に於いて均質燃焼モードが成立していると判定された場合（Ｙ）、ステップＳ１０３でスワール制御バルブ１８が全開か否か判定される。スワール制御バルブ１８が全開であれば、筒内２に於いてスワール流動３０は形成されず、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１に燃料が付着することはないため、ステップＳ１０２で初期化処理が実行され、何もせずサブルーチンを終了する。尚、スワール制御バルブ１８が全開となる運転条件の代表的なものとして、短い吸気期間の間に多くの空気を筒内２に吸入する必要がある高回転、高負荷領域が挙げられる。

ステップＳ１０３での判定の結果、スワール制御バルブ１８が全開でない場合（Ｎ）は、ステップＳ１０４に於いて水温条件が成立しているかを判定する。即ち、現在の水温Ｔ_Ｗが予め設定してある水温しきい値ＴＨ_ＴＷ以上である場合には、スワール流動３０により燃料噴霧３１が吸気バルブ１１に付着しても、吸気バルブ開弁期間内に蒸発すると予測されるため、水温条件が成立していないと判定し（Ｎ）、ステップＳ１０２で初期化処理が実行され、何もせずサブルーチンを終了する。

ステップＳ１０４に於いて、水温条件が成立していると判定した場合（Ｙ）、即ち現在の水温Ｔ_Ｗが予め設定してある水温しきい値ＴＨ_ＴＷ未満である場合は、ステップＳ１０５に進んでスワール強度Ｓ_Ｗを演算する。このスワール強度Ｓ_Ｗは、スワール制御バルブ１８が設置されていない方の吸気バルブ１１１を通過する流速と強い相関関係があることから、下記の式（１）に示すように、吸入空気量Ｑａ、バルブ開口面積Ａ_Ｖ、スワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏ、及び予め設定してある重み付け係数Ｋ_Ｓより演算することができる。

Ｓ_Ｗ＝Ｑａ／Ａ_Ｖ／ＳＣＶ_Ｏ×Ｋ_Ｓ ・・・・・式（１）

ここで、式（１）の吸入空気量Ｑａは、下記の式（２）に示すように、エンジン回転数ＮＥとブースト圧Ｐｂを乗算することによって演算される。

Ｑａ＝ＮＥ×Ｐｂ ・・・・・式（２）

尚、吸入空気量Ｑａは式（２）のように演算されるものに限らず、例えば吸気マニホールド９を通過する空気量を検出するセンサの出力値を用いて演算しても良い。

式（１）のバルブ開口面積Ａ_Ｖは、下記の式（３）に示すように、吸気可変バルブ機構１３によって制御されている吸気バルブリフト量ＩＶＬに応じて予め設定されているマップを参照して更新される。吸気バルブリフト量ＩＶＬは、吸気バルブ１１の開弁中にバルブ開口面積が最大となるリフト量の値であり、下記の式（４）のように、例えばエンジン回転数ＮＥとブースト圧Ｐｂで一意に決定する運転状態に応じて予め設定されているマップを参照して更新される。

Ａ_Ｖ＝ｍａｐ（ＩＶＬ） ・・・・・式（３）

ＩＶＬ＝ｍａｐ（ＮＥ，Ｐｂ） ・・・・・式（４）

但し、式（３）に於いて、バルブ開口面積Ａ_Ｖは、吸気バルブ１１１の開弁中にバルブ開口面積が最大となるリフト量の値である吸気バルブリフト量ＩＶＬに応じたものとしているが、これに限ったものではなく、例えば吸気バルブ１１１の開弁中における吸気流速が最大となる近傍のタイミングのリフト量に応じたものとしても良い。又、式（４）の吸気バルブリフト量ＩＶＬの演算方法はこれに限ったものではなく、吸気バルブ１１１に取り付けて吸気バルブ１１１のリフト量を検出するセンサの出力値により演算することなどでも求めることができる。

又、式（１）のバルブ開口面積Ａ_Ｖは、式（３）のようにマップを用いて演算されているが、これに限ったものではなく、吸気バルブリフト量ＩＶＬから幾何学的に求めるようにしても良い。

前述の式（１）のスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏは、吸気流量調節補正手段２９による補正がなされていない時点の開度であり、下記の式（５）のように、例えばエンジン回転数ＮＥとブースト圧Ｐｂで一意に決定する運転状態に応じて予め設定されているマップを参照して更新される。

ＳＣＶ_Ｏ＝ｍａｐ（ＮＥ，Ｐｂ） ・・・・・式（５）

このマップは、例えば、低回転及び低負荷領域に於いては、筒内２のスワール流動強化により燃料噴霧の拡散および蒸発を促進して燃焼の安定化を図るために、開度を減少するよう設定されているものである。尚、スワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏは、吸気マニホールド９の閉塞領域が拡大するほど値が小さくなるものである。尚、式（１）の重み付け係数Ｋ_Ｖは、空気密度と相関関係のある値である。このステップＳ１０５が、スワール強度演算手段２５に相当する。

次に、ステップＳ１０６に於いて、スワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈを演算する。スワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈは、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１への付着を抑制するために、スワール強度Ｓ_Ｗと水温Ｔ_Ｗに応じてスワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１近傍までの流動を若干強化するが、筒内２のスワール流動３０にほぼ影響を与えないような補正量となっており、下記の式（６）から式（９）のように演算される。

ＳＣＶ_ｈｂ＝ｍａｐ（Ｓ_Ｗ）・・・・・式（６）

ＳＣＶ_ＴＷ＝ｍａｐ（Ｔ_Ｗ）・・・・・式（７）

ＳＣＶ_ｈｍｘ＝ｍａｐ（Ｓ_Ｗ） ・・・・・式（８）

ＳＣＶ_ｈ＝ｍｉｎ（ＳＣＶ_ｈｂ×ＳＣＶ_ＴＷ，ＳＣＶ_ｈｍｘ） ・・・・・式（９）

式（６）のスワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂは、スワール強度Ｓ_Ｗに応じて予め記憶してあるマップを参照して演算される。図５は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、スワール強度とスワール制御バルブ開度基本補正量の特性を示すマップであって、スワール強度Ｓ_Ｗに応じたスワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂを演算するために予めメモリに記憶されている。図５に示すように、スワール強度Ｓ_Ｗが小さい値の場合には、スワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂは小さい値であり、スワール強度Ｓ_Ｗが増加するとスワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂは増加するが、スワール強度Ｓ_Ｗが更に増加して非常に大きな値となると、スワール制御
バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂは減少する特性となっている。

スワール流動３０の強さが変化することで、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１への燃料噴霧３１の付着量が変化する現象は前述の図３の通りである。即ち、スワール流動３０が弱い場合には、噴射された燃料噴霧３１があまり流されず、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１への衝突および付着は少ない。そのため、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１に於ける流動を若干強化させれば、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１に噴霧が拡散しにくくなり、衝突及び付着する燃料噴霧３１の量を抑制できる。

スワール流動３０が強くなると、噴射された燃料噴霧３１が流され、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１への衝突及び付着が増加する。そのため、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１への噴霧拡散、衝突、及び付着を抑制するには、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１に於ける流動をより強化する必要がある。更にスワール流動３０が非常に強くなると、噴射された燃料噴霧３１が筒内２の壁面方向に強く流されるようになり、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１への衝突及び付着が減少する。そのため、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１に於ける流動はそれほど強化する必要がない。これら図３の現象を反映させた特性が図５となっている。

図６は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、水温と水温重み付け係数の特性を示すマップである。図５に示すスワール強度Ｓ_Ｗとスワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂの特性は、ある基準水温に於ける特性であり、様々な水温条件に対応するには前述の式（７）の水温重み付け係数ＳＣＶ_ＴＷが必要となる。水温重み付け係数ＳＣＶ_ＴＷは、例えば図６に示すように水温Ｔ_Ｗに応じて予め記憶してあるマップを参照して演算される値であり、図５に示す特性が導かれた基準水温値を「１」とし、その基準水温値未満であれば「１」よりも大きい値、基準水温値より大きければ「１」よりも小さい値となるよう予め設定されている。

図７は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、スワール強度とスワール制御バルブ開度補正量最大値の特性を示すマップである。式（８）のスワール制御バルブ開度補正量最大値ＳＣＶ_ｈｍｘは、この補正値以上、つまり、これ以上「開」側、にスワール制御バルブ開度補正を実施すると、筒内２に於けるスワール流動３０を減衰させてしまうような開度補正量を表しており、例えば図７のようにスワール強度Ｓ_Ｗと比例関係にある特性を持ったマップが予め記憶してあり、マップを参照して演算される。

式（９）に於いて、スワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂと水温重み付け係数ＳＣＶ_ＴＷの乗算した値と、スワール制御バルブ開度補正量最大値ＳＣＶ_ｈｍｘの最小値によってスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈが演算される。スワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂと水温重み付け係数ＳＣＶ_ＴＷの乗算により、例えば低い水温の場合、付着量が少ない条件であっても吸気バルブ開弁期間中に付着した燃料が蒸発する量はほとんど見込まれないことから、スワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈを大きな値にするよう補正される。

しかし、例えば水温が非常に低い場合、エンジン１の動作として燃焼状態の安定が非常に重要であり、燃焼状態の安定には筒内流動としてのスワール流動３０を用いた燃料噴霧３１の拡散及び蒸発の促進を施した良好な均質混合気形成手段が必要不可欠となる。従って、スワール流動３０を維持させることを最優先とし、且つ可能な限りスワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１への燃料噴霧３１の付着を抑制するよう、スワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂと水温重み付け係数ＳＣＶ_ＴＷの乗算した値と、スワール制御バルブ開度補正量最大値ＳＣＶ_ｈｍｘの最小値で最終的なスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈが演算される。

尚、スワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈは式（６）から式（９）で演算されるものに限らず、例えば後述する図９に示すように、スワール制御バルブ開度基本補正量ＳＣＶ_ｈｂ、水温重み付け係数ＳＣＶ_ＴＷ、及びスワール制御バルブ開度補正量最大値ＳＣＶ_ｈｍｘを加味して、スワール強度Ｓ_Ｗと水温Ｔ_Ｗに応じたスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈの特性マップを予め設定しておき、下記の式（１０）に示すようにそのマップを参照することで演算させてもよい。

ＳＣＶ_ｈ＝ｍａｐ（Ｓ_Ｗ，Ｔ_Ｗ） ・・・・・式（１０）

このステップＳ１０６が吸気流量調節補正量演算手段２６、吸気流量調節水温補正手段２７、及び吸気流量調節補正制限手段２８に相当する。

次に、Ｓ１０７に於いて、下記の式（１１）に示すようにスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏにスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈの補正を施してスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏを更新し、サブルーチンを終了する。

ＳＣＶ_Ｏ←ＳＣＶ_Ｏ＋ＳＣＶ_ｈ ・・・・・式（１１）

このスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏとなるように、スワール制御バルブ１８は制御される。このステップＳ１０７が吸気流量調節補正手段２９に相当する。

この実施の形態１に於いて、吸気行程初期に燃料を噴射する均質燃焼モードをスワール制御バルブ開度補正の成立条件としているが、これに限らず、吸気バルブ１１の開弁中に燃料噴霧３１が筒内２に拡散しているようなタイミングで燃料を噴射する条件、例えば排気行程噴射モード中などを成立条件としてもよい。

又、この実施の形態１に於いて、筒内２のスワール流動３０を形成するための機構としてスワール制御バルブ１８を用いているが、これに限らず、例えば各吸気バルブのリフト量を独立して動作させてスワール強度を変更できるような機構や、ヘリカルポートを用いたスワール強度を変更できるような機構や、吸気路を変更してスワール強度を変更できるような機構などを用いてもよい。

以上説明したこの発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、均質燃焼モード制御時及びスワール流動制御時に、スワール強度を演算し、スワール制御バルブ開度補正量を演算しスワール制御バルブ開度を補正する実行例を図８のタイミングチャートを用いて説明する。即ち、図８は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、均質燃焼モード制御及びスワール流動が制御されたときのスワール制御バルブ開度の補正を行う挙動を示すタイミングチャート図であって、エンジン回転数および負荷が変化し、スワール制御バルブ開度が変更されて筒内のスワール流動を制御している場合を例として示しており、（ａ）は均質燃焼モード、（ｂ）は水温、（ｃ）はスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏ、（ｄ）はスワール強度、（ｅ）はスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈ、（ｆ）はスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏを夫々示している。又、図８では、その説明を簡略化するために、時間経過と共に水温がステップ的に上昇した場合を示している。

図８に於いて、先ず初めに、タイミングＡ以前に於いては均質燃焼モードが成立しており、（ｂ）に示すように水温Ｔ_Ｗが低く、水温しきい値ＴＨ_ＴＷ未満の運転条件であるが、（ｃ）に示すようにスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏが全開となっているため、スワール制御バルブ開度補正制御の条件が成立せず、（ｄ）に示すスワール強度Ｓ_Ｗ、（ｅ）に示すスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈは初期値の「０」となっており、スワール制御バルブ１８は全開のまま制御されている。ここでは、（ｆ）に示すように、スワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏが全開であることでスワール流動が形成されておらず、スワール制御バルブ開度補正制御を実施しなくてもスワール制御バルブ側の吸気バルブへ燃料が付着していない。

タイミングＡからタイミングＢの間では、（ｃ）に示すように、補正前のスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏが全開ではなくなり「極小」、「小」及び「中」となり、スワール制御バルブ開度補正制御の条件が成立する。この条件が成立すると、スワール強度Ｓ_Ｗが演算されるようになる。式（９）により補正前のスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏが小さい程、スワール強度Ｓ_Ｗは大きな値（強いスワール流動）となり、（ｄ）に示すスワール強度Ｓ_Ｗは、値（１）、（２）及び（３）となる。

スワール強度Ｓ_Ｗが一番強い値（１）では、燃料噴霧３１が筒内２の壁面方向に流されてスワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１に付着する量が少ない状態、値（２）では、スワール流動３０でスワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１の付着が一番多くなる状態、値（３）では、スワール流動３０が弱くスワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１の付着が少ない状態である。演算されたスワール強度Ｓ_Ｗの値（１）、（２）、及び（３）に応じて、前述の式（６）から式（９）を用いて（ｅ）に示すスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈの値（４）、（５）、及び（６）が演算される。

ここで、演算されるスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈに関して、スワール強度Ｓ_Ｗとの関係を図示した図９により説明する。図９は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置における、スワール制御バルブ開度補正量を示す説明図であって、この実施の形態１に於いて演算に使用されているものではなく、式（９）により演算されるスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈが所定水温条件下でスワール強度Ｓ_Ｗ全域においてどのような値となるのかをイメージした図である。図９に示す値（１）乃至（９）は、図８に示す値（１）乃至（９）に夫々対応している。

図８に示す前述のタイミングＡからタイミングＢの間では水温が非常に低いため、図９の（ａ）に示すように、スワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈの特性は、燃焼安定性を重視してスワール流動の減衰を防止するために設けられたスワール制御バルブ開度補正量最大値ＳＣＶ_ｈｍｘとほぼ等しくなる。従って、スワール強度Ｓ_Ｗ（２）及び（３）に応じたスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈ（５）及び（６）は、スワール制御バルブ開度補正量最大値ＳＣＶ_ｈｍｘで制限された補正量となる。

図８に於いて、演算されたスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈ（４）、（５）、及び（６）をスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏに補正し、（ｆ）に示すスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏの斜線領域分の開度が増加されてスワール制御バルブ１８が制御される。これにより、筒内２のスワール流動３０の減衰を防止しつつ、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１への燃料噴霧３１の付着を最大限に抑制することができる。

図８に於けるタイミングＢからタイミングＣの間では、タイミングＡからタイミングＢの間と同様に、補正前のスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏが「極小」、「小」および「中」となっているため、スワール強度Ｓ_Ｗは（１）、（２）及び（３）の値となる。しかし、タイミングＢからタイミングＣの間では、タイミングＡからタイミングＢの間よりも水温が上昇しているため、タイミングＡからタイミングＢの間のスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈ（４）、（５）、及び（６）よりも小さいスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈ（７）、（８）、及び（９）が演算される。

タイミングＢからタイミングＣの間の水温が高い条件では、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１に燃料噴霧３１が付着しても吸気バルブ開弁期間中に蒸発する量が多いため、図９の（ｂ）のようにスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈの特性は、全体的に小さくなる。従って、スワール強度Ｓ_Ｗ（１）、（２）、及び（３）に応じたスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈ（７）、（８）、及び（９）は、スワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈ（４）、（５）、及び（６）よりも小さな補正量となる。

図８に於いて、演算されたスワール制御バルブ開度補正量ＳＣＶ_ｈ（７）、（８）、及び（９）をスワール制御バルブ開度ＳＣＶ_Ｏに補正し、斜線領域分の開度が増加されてスワール制御バルブが制御される。これにより、最小限のスワール制御バルブ開度補正量でスワール制御バルブ側の吸気バルブの付着を抑制できる。

タイミングＣ以降では、（ｂ）に示す水温が水温しきい値ＴＨ_ＴＷ以上となっており、スワール制御バルブ１８側の吸気バルブ１１に燃料噴霧３１が付着しても吸気バルブ開弁期間中に全て蒸発することから、スワール制御バルブ開度補正制御の条件が成立せず、スワール制御バルブ１８は補正前の開度で制御される。

この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置によれば、均質燃焼モード制御時、スワール流動制御時、所定水温以下の条件に於いて、スワール制御バルブが設置されていない方の吸気バルブを通過する流速をスワール強度として演算し、スワール強度に応じてスワール制御バルブ側の吸気バルブに燃料が付着する現象に基づいたスワール制御バルブ開度補正量の特性よりスワール制御バルブ開度補正量を求め、スワール制御バルブ開度を補正し、筒内のスワール流動への影響を最小限としスワール制御バルブ側の吸気バルブの付着を抑制することで、筒内に良好な均質混合気を形成し、排ガス、燃費、およびドラビリを向上することができる。

又、水温に応じてスワール制御バルブ側の吸気バルブへの燃料噴霧の付着の蒸発具合を加味してスワール制御バルブ開度補正量を増減させることで、最小限のスワール制御バルブ開度補正でスワール制御バルブ側の吸気バルブ付着抑制の効果を最大限にすることができる。

又、低水温条件等、スワール制御バルブ開度補正量が非常に大きくなるような条件では、燃焼安定性を重視してスワール流動減衰を防止するために設けられたスワール制御バルブ開度補正量最大値をスワール強度に応じて求め、スワール制御バルブ開度補正量最大値以下でスワール制御バルブ開度補正を実施することで、筒内のスワール流動の減衰を防止しつつ、スワール制御バルブ側の吸気バルブ付着抑制の効果を最大限にすることができる。

尚、この発明は、その発明の範囲内に於いて、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ エンジン、２ 筒内、３ ピストン、４ キャビティ、５ 燃焼室、６ クランク軸、７ クランク角センサ、８ 水温センサ、９ 吸気マニホールド、１０ 排気マニホールド、１１、１１１ 吸気バルブ、１２ 排気バルブ、
１３ 吸気可変バルブ機構、１４ 排気可変バルブ機構、１５ 燃料噴射弁、１６ 点火プラグ、１７ 点火コイル、１８ スワール制御バルブ、１９ サージタンク、２０ スロットルバルブ、２１ ブースト圧センサ、２２ 触媒装置、２３ テールパイプ、２４ ＥＣＵ、２５ スワール強度演算手段、
２６ 吸気流量調節補正量演算手段、２７ 吸気流量調節水温補正手段、
２８吸気流量調節補正制限手段、２９ 吸気流量調節補正手段、３０ スワール流動、３１ 燃料噴霧。

Claims (2)

1. 内燃機関の筒内に、直接、燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記筒内に接続された複数の吸気ポートのうちの少なくとも一つの吸気ポートに設けられ、前記筒内に流入する吸気流量を調節することにより前記複数の吸気ポートのうちの少なくとも一部の吸気ポートとの間で吸気流量に差を形成して前記筒内にスワール流動を形成させ得る吸気流量調節手段と、
   前記筒内に形成された前記スワール流動の強度を演算するスワール強度演算手段と、
   前記吸気流量調節手段により調節される前記吸気流量を補正する吸気流量調節補正量を演算する吸気流量調節補正量演算手段と、
   前記演算された吸気流量調節補正量に基づいて、前記吸気流量調節手段により調節される前記吸気流量を補正する吸気流量調節補正手段と、
   前記吸気流量調節補正量演算手段により演算される前記吸気流量調節補正量を制限する吸気流量調節補正制限手段と、
   を備え、
   前記吸気流量調節補正量演算手段は、前記内燃機関の冷却水温が所定の値以下の冷機状態にあり、且つ前記吸気流量調節手段が動作しているときであって、前記複数の吸気ポートのうちの少なくとも一つの吸気ポートから前記筒内に吸気される前のタイミングと前記吸気の途中のタイミングとのうちの少なくとも一方のタイミングで前記燃料噴射弁から前記燃料が噴射される場合に、前記吸気流量調節補正量を演算するように構成され、
   前記吸気流量調節補正量演算手段により演算される前記吸気流量調節補正量は、前記演算された前記スワール流動の強度に応じた値であって、前記スワール流動を維持しつつ前記スワール流動の強度を減少させて前記吸気流量調節手段が設けられた吸気ポートの吸気バルブへの前記燃料の付着を抑制する値であり、
   前記吸気流量調節補正制限手段は、前記筒内のスワール流動を減衰させないように前記吸気流量調節補正量の制限を行なう、
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記筒内に於ける前記内燃機関の冷却水温が低いほど前記吸気流量調節補正量演算手段による前記吸気流量調節補正量が大きくなるように、前記吸気流量調節補正量を補正する吸気流量調節水温補正手段を備えた、
   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。