JP6447586B2

JP6447586B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP6447586B2
Application number: JP2016133620A
Authority: JP
Inventors: 宏太朗鈴木; 翔太塚本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2036-07-05
Also published as: DE102017210840A1; US10393048B2; US20180010540A1; DE102017210840B4; JP2018003755A

Description

この発明は内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、インジェクタと点火プラグを燃焼室に備えると共に、燃焼室からの排気を浄化する触媒（排気浄化触媒）を備える内燃機関を制御する制御装置に関する。

従来、インジェクタと点火プラグを燃焼室に備える内燃機関に関し、機関暖機の過程において排気浄化触媒の活性化を促進する幾つかの制御技術が提案されている。例えば、特開２００６−０５２６８７号公報には、燃焼室上部の略中央に設けられて筒内に燃料を直接噴射するインジェクタと、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグであって、燃焼室上部のうちのインジェクタからの燃料噴霧の一部が直接到達する箇所に設けられた点火プラグと、排気通路に設けられた排気浄化触媒と、を備え、排気浄化触媒の活性化を促進する目的で、膨張行程においてインジェクタによる噴射と点火プラグによる点火とを行う内燃機関の制御装置が開示されている。

この制御装置において、膨張行程での噴射と点火は、吸気行程または圧縮行程での噴射と、その後の点火に追加する形で行われる。具体的には先ず、吸気行程または圧縮行程において１回目の噴射が行われ、その後に１回目の点火が行われる。続いて、膨張行程の中期から後期において排気浄化触媒の活性化を目的とした２回目の噴射が行われ、その後に２回目の点火が行われる。２回目の燃料噴射量は１回目の燃料噴射量に比べて少量であり、２回目の点火は２回目の噴射による燃料噴霧が燃焼室の壁面に到達する前に行われる。インジェクタと点火プラグの位置関係が上述した関係にあり、且つ、２回目の点火が上述した時期に行われることから、この制御装置によれば、２回目の噴射による燃料の殆どを燃焼させて、排気温度を上昇させることができる。

特開２００６−０５２６８７号公報特開２０１１−２３６８０２号公報

ところで本発明者らは、特開２００６−０５２６８７号公報とは異なる機関構成において、排気浄化触媒を活性化するための制御を検討しているところである。検討に係る機関構成は、インジェクタと点火プラグが共に燃焼室上部に設けられる点、および、インジェクタからの燃料噴霧の一部が点火プラグの方向に向かう点において当該公報の機関構成と共通している。但し、検討に係る機関構成は、点火プラグ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点火プラグの電極部が配置される点において同公報の機関構成と異なっている。また、検討に係る機関構成は、燃焼室に供給される吸気からタンブル流が形成される点においても同公報の機関構成と異なっており、タンブル流の流れ方向で見たときにインジェクタの下流側に点火プラグが配置される機関構成となっている。

燃焼室に形成されるタンブル流は、排気ポート側では燃焼室の上部から下部に向かい、吸気ポート側では燃焼室下部から上方に向かうように旋回しており、検討に係る制御はこのようなタンブル流を前提としている。検討に係る制御は、具体的に、吸気行程において１回目の噴射を行って燃料噴霧をタンブル流と共に燃焼室内を旋回させつつ、点火プラグによる点火時期を圧縮上死点よりも遅角側に設定するものである。これに加え、検討に係る制御では、点火期間中にその噴射期間が終了するような２回目の噴射を行う。インジェクタから高圧状態で噴射された燃料は、その周囲の空気を持ち去ることで低圧部を形成する（エントレインメント）。そのため、点火期間中にその噴射期間が終了するような２回目の噴射を行うと、点火プラグの方向に向かう燃料噴霧の周囲に形成された低圧部に、点火プラグで生じた放電火花や、吸気行程での噴射による燃料噴霧を含む混合気と放電火花とから生じた初期火炎が誘引される。

ここで、圧縮上死点よりも遅角側、尚且つ、点火期間の開始時期よりも進角側で上述した２回目の噴射のようなスポット噴射を行うと、当該スポット噴射による燃料噴霧の形状がタンブル流や筒内圧力の影響を受けて変化し易い。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、点火期間中にその噴射期間が終了するような２回目の噴射によれば、上記低圧部に誘引された初期火炎を２回目の噴射による燃料噴霧に接触させることができる。よって、初期火炎を成長させる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。

しかし、検討に係る制御では、基準となる機関構成に基づいた適合によって、サイクル間の燃焼変動率が最も小さくなるときの噴射量を上述した２回目の噴射量の初期値に設定している。そのため、例えば点火プラグの燃焼室内への突き出し量がハードウェア公差の範囲とはいえ基準となる突き出し量よりも少ないような場合は、初期値に基づいて上述した２回目の噴射を行ったとしても、上述した誘引作用が不十分でサイクル間の燃焼変動が大きくなってしまうおそれがある。また、ハードウェア公差の点で問題がない場合であっても、例えば、燃焼室内の着火環境が変化して望ましい範囲から外れたようなときには、サイクル間の燃焼変動が大きくなってしまうおそれがある。というのも、燃焼室内の着火環境が変化して望ましい範囲から外れると、吸気行程での噴射による燃料噴霧に由来する混合気であって、上述した初期火炎を生じさせる混合気の濃度が不安定となるからである。

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、インジェクタからの燃料噴霧の一部がタンブル流の流れ方向の下流側に位置する点火プラグの方向に向かい、且つ、点火プラグ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点火プラグの電極部が配置される機関構成によって排気浄化触媒の活性化制御を行う場合に、ハードウェア公差または着火環境の変化に起因したサイクル間の燃焼変動の増大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、燃焼室上部に設けられて筒内に燃料を直接噴射するインジェクタと、電極部で発生させた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、前記燃焼室上部、且つ、前記燃焼室内に形成されるタンブル流の流れ方向において前記インジェクタよりも下流側に設けられると共に、前記インジェクタから前記点火プラグに向けて噴射される燃料噴霧の外郭面よりも前記電極部の位置が上方となるように設けられた点火プラグと、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ものである。
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し、尚且つ、終了時期が前記点火期間の終了時期よりも進角側となる第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、各サイクルにおける前記第１噴射の噴射量と、初期値が一定の前記第２噴射の噴射量との合計に基づいて算出される筒内空燃比を目標空燃比に設定すると共に、サイクル間の燃焼変動に関する推定を行い、サイクル間の燃焼変動が増大していると推定された場合には、前記第１噴射による燃料噴霧を含む混合気と放電火花とから発生する初期火炎の着火遅れに相関する指標に基づいて、前記合計に占める前記第１噴射と前記第２噴射の割合を変更する。

各サイクルにおける第２噴射の噴射量の初期値は、点火プラグで生じた放電火花や、第１噴射による燃料噴霧を含む混合気とこの放電火花とから発生する初期火炎を、第２噴射による燃料噴霧に誘引することができ、尚且つ、サイクル間の燃焼変動率が最も小さくなるような一定値とされている。このような噴射量条件の下では、各サイクルにおける第１噴射と第２噴射の合計噴射量に基づいて算出される筒内空燃比を目標空燃比に設定するために第１噴射の噴射量が調整され、これにより目標空燃比が実現されることになる。
既に述べたとおり、サイクル間の燃焼変動が大きくなる原因は、ハードウェア公差または着火環境の変化にある。本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、サイクル間の燃焼変動に関する推定の結果、サイクル間の燃焼変動が増大していると推定された場合には、初期火炎の着火遅れに相関する指標に基づいて、合計噴射量に占める第１噴射と第２噴射の割合が変更される。合計噴射量に占める第１噴射と第２噴射の割合が変更されることで、筒内空燃比を目標空燃比に維持した状態で、ハードウェア公差によって起こる誘引作用の低下が補われ、または、着火環境の変化によって起こる、初期火炎を生じさせる混合気の濃度の不安定化が解消されることになる。

前記制御装置は、前記指標に基づいて、前記初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて縮小しているか否かを推定してもよい。前記制御装置は、前記初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて縮小していると推定した場合には前記合計に占める前記第２噴射の割合を増やす側に変更してもよく、前記初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の着火遅れよりも拡大していると推定した場合には前記合計に占める前記第２噴射の割合を減らす側に変更してもよい。

初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて縮小している場合は、初期火炎を生じさせる混合気の濃度が必要以上に高くなっているか、または、ハードウェア公差によって起こる誘引作用が低下していると推定できる。初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて拡大している場合は、初期火炎を生じさせる混合気の濃度が必要以上に低くなっていると推定できる。
初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて縮小している場合に合計噴射量に占める第２噴射の割合を増やせば、誘引作用が強くなる。また、合計噴射量に占める第２噴射の割合を増やせば、第１噴射の割合が減るので、初期火炎を生じさせる混合気の濃度が低くなる。すなわち、ハードウェア公差によって起こる誘引作用の低下が抑えられ、または、着火環境の変化によって起こる、初期火炎を生じさせる混合気の高濃度化が抑えられる。
初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて拡大している場合に合計噴射量に占める第２噴射の割合を減らせば、第１噴射の割合が増えるので、初期火炎を生じさせる混合気の濃度が高くなる。すなわち、着火環境の変化によって起こる、初期火炎を生じさせる混合気の低濃度化が抑えられる。

前記制御装置は、前記初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて縮小していると推定した場合に、前記点火期間中に降下する前記点火プラグの２次電圧の最低値が閾値よりも小さいか否かを判定してもよい。前記制御装置は、前記最低値が前記閾値よりも小さいと判定されたときには前記合計に占める前記第２噴射の変更後の割合に基づいた前記第２噴射の噴射量の学習を行ってもよいし、前記最低値が前記閾値以上と判定されたときには前記第２噴射の噴射量の学習を行わなくてもよい。

初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて縮小していると推定できたとしても、初期火炎を生じさせる混合気の濃度が必要以上に高くなっているか、または、ハードウェア公差によって起こる誘引作用が低下しているかまでは特定できない。
点火期間中に降下する点火プラグの２次電圧の最低値は、誘引作用の強弱と相関があり、最低値が小さいほど誘引作用が強くなる。よって、この最低値を使用した判定によれば、初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて縮小していると推定した場合に、その原因を特定できる。具体的に、最低値が閾値よりも小さいと判定されたときには、初期火炎の着火遅れが縮小している原因が、ハードウェア公差によって起こる誘引作用の低下によると特定できる。最低値が閾値よりも大きいと判定されたときには、初期火炎を生じさせる混合気の濃度が必要以上に高くなっていると特定できる。
初期火炎の着火遅れが縮小している原因が、ハードウェア公差によって起こる誘引作用の低下による場合には、今回サイクルだけでなく、次回サイクルにおいても上述した誘引作用が弱まることが予想される。よって、最低値が閾値よりも小さいと判定されたときに第２噴射の変更後の割合に基づいて第２噴射の噴射量の学習を行えば、次回サイクル以降の燃焼変動の増大が抑えられる。一方、初期火炎の着火遅れが縮小している原因が、初期火炎を生じさせる混合気の高濃度化による場合には、この高濃度化が今回サイクル限りの可能性がある。よって、最低値が閾値よりも大きいと判定されたときには第２噴射の噴射量の学習を行わずとも、次回サイクルでは変更後の割合に基づいて第２噴射が行われるので、次回サイクル以降での燃焼変動の増大が抑えられる。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、ハードウェア公差または着火環境の変化に起因したサイクル間の燃焼変動の増大を抑えることができる。

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。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や初期火炎の誘引作用を説明する図である。膨張行程噴射での噴射量と、サイクル間の燃焼変動率との関係を示した図である。燃焼変動が増大したときの問題点を説明する図である。本発明の実施の形態１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。閾値ＣＤ_０−２の一例を説明する図である。イオン電流を利用した初期火炎の着火遅れに関する推定手法を説明する図である。触媒暖機制御中の点火プラグの放電波形の一例を示した図である。本発明の実施の形態２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。

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を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

［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、燃焼室２０の上部に設けられた筒内圧センサ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、内燃機関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の２回目の噴射（第２噴射）が行われる。なお、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。

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が描かれている。噴射Ａ，Ｂ，Ｃ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、点火期間中に行われる噴射Ｃ、および、点火期間の開始時期を跨ぐように行われる噴射Ｂ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、尚且つ、膨張行程噴射の終了時期が点火期間の終了時期よりも進角側に位置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や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、吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気とこの放電火花と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や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や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、誘引された初期火炎が膨張行程噴射による燃料噴霧と接触し、これを巻き込んで一気に成長する。

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し、尚且つ、終了時期が点火期間の終了時期よりも進角側とな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の大部分を巻き込む燃焼（以下「主燃焼」ともいう。）をも安定化させることができる。

［触媒暖機制御中の燃料噴射量］
触媒暖機制御中の各サイクルでは、膨張行程噴射での噴射量が一定とされる。図５は、膨張行程噴射での噴射量と、サイクル間の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、吸気行程噴射での噴射量や、点火期間の開始時期と終了時期を固定しつつ、膨張行程噴射での噴射量を変更することにより得たものである。図５に示すように、燃焼変動率は、膨張行程噴射での噴射量に対して下に凸となる。本実施の形態では、図５に示したような燃焼変動率が最も小さな値を示すときの噴射量（一例として４ｍｍ^３／ｓｔ程度）を適合によって求め、初期値としてＥＣＵ４０のＲＯＭに記憶させており、触媒暖機制御の際にはここから読み出すものとする。

また、触媒暖機制御中の各サイクルでは、ＥＣＵ４０によって、筒内空燃比が弱リッチ空燃比（一例として１４．３程度）に保持されるように総噴射量（つまり、吸気行程噴射での噴射量と膨張行程噴射での噴射量の合計）が算出される。筒内空燃比を弱リッチ空燃比に保持することで、筒内空燃比の変動に起因したサイクル間の燃焼変動の増大が抑えられる。ここで、既に述べたように、触媒暖機制御中の各サイクルでは膨張行程噴射での噴射量が一定とされることから、筒内空燃比が弱リッチ空燃比に保持されるように総噴射量を算出するということは、筒内空気量に応じて吸気行程噴射での噴射量が調整されることを意味する。

［燃焼変動が増大したときの問題点］
しかし、上述した初期値（適合値）は、基準となる機関構成に基づく適合によって求めたものである。そのため、例えば点火プラグ３２の燃焼室２０内への突き出し量が、ハードウェア公差の範囲とはいえ基準となる突き出し量よりも少ないような場合は、上述した誘引作用が不十分でサイクル間の燃焼変動が大きくなってしまうおそれがある。また、ハードウェア公差の点で問題がない場合であっても、例えば、燃焼室２０内の着火環境が変化して望ましい範囲内から外れたようなときには、サイクル間の燃焼変動が大きくなってしまうおそれがある。というのも、燃焼室２０内の着火環境が変化して望ましい範囲から外れると、吸気行程噴射による燃料噴霧に由来する混合気であって、上述した初期火炎を生じさせる混合気の濃度が不安定となるからである。何れにせよ、サイクル間の燃焼変動が大きくなれば、触媒暖機制御中のドライバビリティに影響が出てしまう。

この問題について、図６を参照しながら詳しく説明する。図６には、図５に示した膨張行程噴射での噴射量と、サイクル間の燃焼変動率との関係が示されている。点火プラグ３２の燃焼室２０内への突き出し量が、基準となる突き出し量よりも少ないような場合には、噴霧外郭面と電極部３４との間の距離が、基準となる機関構成に比べて長くなる。そのため、初期値（適合値）で膨張行程噴射を行ったとしても、実際には初期値（適合値）よりも少量の膨張行程噴射を行った場合と同程度の誘引作用しか得られず、燃焼変動率が高くなってしまう（図６（ｉ））。

また、燃焼室２０内の着火環境が変化して望ましい範囲から外れたときに、初期火炎を生じさせる混合気の濃度が不安定となるとは、当該濃度が必要以上に低くなること、または、当該濃度が必要以上に高くなることを意味する。そのため、初期値（適合値）で膨張行程噴射を行ったとしても、実際には初期値（適合値）よりも多量の膨張行程噴射を行った場合と変わらない燃焼変動率となるか（図６（ｉｉ））、または初期値（適合値）よりも少量の膨張行程噴射を行った場合と変わらない燃焼変動率となってしまう（図６（ｉｉｉ））。

［燃焼変動が増大したときの対策］
このような事態を避けるため、本実施の形態では、触媒暖機制御中にサイクル間の燃焼変動の増大に関する推定を行う。サイクル間の燃焼変動の増大に関する推定は、例えば、クランク角センサ４４の検出値に基づいて算出されるエンジン回転速度の変動を利用して行われる。

また、本実施の形態では、サイクル間の燃焼変動が増大していると推定された場合には、吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気と放電火花とから発生する初期火炎の着火遅れに関する推定を行う。初期火炎の着火遅れに関する推定は、例えば、点火時期（つまり、電極部３４での放電開始時期）から、燃焼質量割合（ＭＦＢ）が２％に到達するまでのクランク角期間ＣＡ０−ＣＡ２（以下「ＳＡ−ＣＡ２」ともいう。）を利用して行う。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−ＣＡ２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。

また、本実施の形態では、初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の同着火遅れよりも拡大していると推定された場合には、初期火炎を生じさせる混合気の濃度が必要以上に低くなっている（すなわち、図６（ｉｉ）で説明した状態となっている）と推定して、膨張行程噴射での噴射量を減らす。反対に、初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の同着火遅れよりも縮小していると推定された場合には、初期火炎を生じさせる混合気の濃度が必要以上に高くなっている（すなわち、図６（ｉｉｉ）で説明した状態となっている）、または、上述した誘引作用が弱まっている（すなわち、図６（ｉ）で説明した状態となっている）と推定して、膨張行程噴射での噴射量を増やす。

上述したように、触媒暖機制御中の各サイクルでは、筒内空燃比が弱リッチ空燃比に保持されるように総噴射量が算出される。そのため、膨張行程噴射での噴射量を減らせば、吸気行程噴射での噴射量が増えることになる。よって、初期火炎を生じさせる混合気の濃度を高めて、燃焼変動の増大を抑えることができる。反対に、膨張行程噴射での噴射量を増やせば、吸気行程噴射での噴射量が減ることになる。よって、初期火炎を生じさせる混合気の濃度を下げて、燃焼変動の増大を抑えることができる。また、膨張行程噴射での噴射量を増やせば、上述した誘引作用を高めて、燃焼変動の増大を抑えることもできる。このように、本実施の形態によれば、サイクル間の燃焼変動が増大していると推定された場合に、膨張行程噴射での噴射量、すなわち、総噴射量に占める膨張行程噴射の割合を変更することができるので、触媒暖機制御中のドライバビリティに影響が出るのを抑えることができる。

［実施の形態１での具体的処理］
図７は、本発明の実施の形態１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７に示すルーチンでは、先ず、エンジン冷却水温が閾値Ｔｃａｔ未満か否かが判定される（ステップＳ１００）。本ステップＳ１００では、例えば、温度センサ４６の検出値に基づくエンジン冷却水温が、閾値Ｔｃａｔ（一例として３０〜４０℃）と比較される。そして、エンジン冷却水温が閾値Ｔｃａｔ以上であると判定された場合には（“Ｎｏ”の場合）、排気浄化触媒の活性化が不要と判断できるので、本ルーチンを抜ける。一方、エンジン冷却水温が閾値Ｔｃａｔ未満であると判定された場合には（“Ｙｅｓ”の場合）、排気浄化触媒の活性化が必要と判断できるので、触媒暖機制御が開始される（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０２に続いて、エンジン回転速度の変動が大きいか否かが判定される（ステップＳ１０４）。本ステップＳ１０４では、例えば、エンジン回転速度の変動として、現在サイクルから遡った過去数サイクルにおいて膨張行程に要した時間の平均が算出され、算出した平均値と閾値Ｎｅｃｏｖとが比較される。そして、この平均値が閾値Ｎｅｃｏｖ以下であると判定された場合には（“Ｎｏ”の場合）、サイクル間の燃焼変動が増大していないと推定できるので、本ルーチンを抜ける。一方、この平均値が閾値Ｎｅｃｏｖよりも大きいと判定された場合には（“Ｙｅｓ”の場合）、サイクル間の燃焼変動が増大していると推定できるので、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、ＳＡ−ＣＡ２が閾値ＣＤ_０−２よりも大きいか否かが判定される。ここで、図８は、閾値ＣＤ_０−２の一例を説明する図である。図８に示すように、ＳＡ−ＣＡ２（図８の縦軸）は、膨張行程噴射での噴射量が多くなるほど長くなる。この理由は、筒内空燃比一定の条件下では、膨張行程噴射での噴射量が多くなるほど吸気行程噴射での噴射量が少なくなり、燃焼質量割合（ＭＦＢ）が２％となるまでに時間を要するからである。閾値ＣＤ_０−２は、膨張行程噴射での噴射量を初期値（適合値）としたときに求められるＳＡ−ＣＡ２の値に設定されている。

ステップＳ１０６において、ＳＡ−ＣＡ２が閾値ＣＤ_０−２よりも大きいと判定された場合（“Ｙｅｓ”の場合）、初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の同着火遅れよりも拡大していると推定できるので、次回サイクルにおける膨張行程噴射での噴射量を減らす（ステップＳ１０８）。一方、ＳＡ−ＣＡ２が閾値ＣＤ_０−２以下と判定された場合（“Ｎｏ”の場合）、初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の同着火遅れよりも縮小していると推定できるので、次回サイクルにおける膨張行程噴射での噴射量を増やす（ステップＳ１１０）。

以上説明した図７に示したルーチンによれば、サイクル間の燃焼変動が増大していると推定された場合に、初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の同着火遅れよりも拡大しているか否かの推定結果に応じて、次回サイクルにおける膨張行程噴射での噴射量、すなわち、次回サイクルにおける総噴射量に占める膨張行程噴射の割合を変更することができる。従って、触媒暖機制御中のサイクル間の燃焼変動を抑えて、ドライバビリティに影響が出るのを抑えることができる。

［実施の形態１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。なお、本変形例は、後述する実施の形態２にも同様に適用できる。

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。なお、本変形例は、後述する実施の形態２にも同様に適用できる。

また、上記実施の形態１では、サイクル間の燃焼変動の増大をエンジン回転速度の変動を利用して推定した。しかし、この燃焼変動は、例えば、燃焼圧の変動やトルク変動を利用して推定することもできる。なお、燃焼圧は、例えば燃焼室２０に取り付けた燃焼圧センサの検出信号に基づいて検出することができる。また、トルク変動は、燃焼室２０に取り付けた歪ゲージ式のトルクメータの検出信号に基づいて検出することができる。なお、本変形例は、後述する実施の形態２にも同様に適用できる。

また、上記実施の形態１では、初期火炎の着火遅れに関する推定を、ＳＡ−ＣＡ２を利用して行った。しかし、この着火遅れに関する推定を、例えば、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ＣＡ０−ＣＡ１０（以下「ＳＡ−ＣＡ１０」ともいう。）を利用して行ってもよい。ＳＡ−ＣＡ１０と、膨張行程噴射での噴射量との関係は、図８で説明したＳＡ−ＣＡ２と、膨張行程噴射での噴射量との関係と概ね等しくなる。そのため、ＳＡ−ＣＡ１０を利用した場合であっても初期火炎の着火遅れに関する推定を行うことができる。なお、本変形例は、後述する実施の形態２にも同様に適用できる。

また、この着火遅れに関する推定を、例えば、燃焼室２０内に生じるイオンを電極部３４に流れるイオン電流として検出し、このイオン電流を利用して行ってもよい。図９は、イオン電流を利用した初期火炎の着火遅れに関する推定手法を説明する図である。図９に示すように、イオン電流波形は、点火プラグ付近のシリンダヘッド下面に初期火炎が到達する時期において観測される波形（ｉ）と、点火プラグから離れたシリンダブロック壁面に成長した初期火炎が到達する時期において観測される波形（ｉｉ）とを含んでいる。この波形（ｉ）に対応するイオン電流Ｉ_ＩＯＮは、吸気行程噴射での噴射量が多くなるほど高くなるので、波形（ｉ）に対応するイオン電流Ｉ_ＩＯＮを利用した場合であっても初期火炎の着火遅れに関する推定を行うことができる。なお、本変形例は、後述する実施の形態２にも同様に適用できる。

実施の形態２．
次に、図１０乃至図１１を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
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。

［燃焼変動が増大したときの対策］
上記実施の形態１においては、初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の同着火遅れよりも縮小していると推定された場合に、膨張行程噴射での噴射量を増やした。これに対し、本実施の形態では、初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の同着火遅れよりも縮小していると推定された場合に、この原因に関する推定を、点火プラグ３２の２次電圧に基づいて行う。

図１０は、触媒暖機制御中の点火プラグの放電波形の一例を示した図である。図１０の上段と下段に共通するように、点火プラグに発生する２次電圧は、ある時刻から降下し始める。この降下中の２次電圧が点火プラグの放電電圧に到達することで、点火プラグの電極部に放電火花が発生する。但し、図１０の上段と下段を比較すると分かるように、下段の２次電圧は上段の２次電圧よりも大幅に降下している。この理由は、図４で説明した誘引作用が強くなっているためである。図４で説明した誘引作用が強いということは、電極部で発生した放電火花だけでなく、この放電火花と吸気行程噴射での燃料噴霧が接触することで生じた初期火炎もが、膨張行程噴射での燃料噴霧の周囲に形成された低圧部に強く誘引されていることを意味する。

ＳＡ−ＣＡ２を利用して初期火炎の着火遅れに関する推定を行う場合は、この着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の同着火遅れよりも縮小していることが推定できたとしても、この原因が、初期火炎を生じさせる混合気の濃度が必要以上に高くなっているからなのか、それとも、ハードウェア公差によって上述した誘引作用が弱まっているのからなのかを判別することが難しい。既に説明したＳＡ−ＣＡ１０や、イオン電流を利用する場合も同様である。この点、図１０に示した２次電圧が最も降下したときの値（以下「最大降下電圧」ともいう。）を利用すれば、この原因を特定することができる。

初期火炎の着火遅れが縮小している原因がハードウェア公差によるものであれば、今回サイクルだけでなく、次回サイクルにおいても上述した誘引作用が弱まることが予想される。そこで、本実施の形態では、最大降下電圧が閾値Ｖｓ（設定値）よりも小さいと判定された場合には、膨張行程噴射での噴射量を増やすと共に、ＥＣＵ４０のＲＯＭに記憶させている噴射量を、増量後の噴射量で修正する学習を行う。因みに、増量後の噴射量の修正が初回であれば、ＥＣＵ４０のＲＯＭに記憶させている噴射量は、上述した初期値（適合値）となる。増量後の噴射量で修正する学習を行えば、次回サイクルでは反映後の噴射量に基づいて膨張行程噴射が行われることになるので、次回サイクル以降でのサイクル間の燃焼変動を抑えることができる。

一方、初期火炎の着火遅れが縮小している原因が初期火炎を生じさせる混合気の高濃度化によるものであれば、この高濃度化が今回サイクルにおいて偶然発生しただけであり、次回サイクル以降では収まる可能性がある。そこで、本実施の形態では、最大降下電圧が閾値Ｖｓ以上と判定された場合には、膨張行程噴射での噴射量を減らすだけに留め、上述した学習は行わない。但し、次回サイクルでは増量後の噴射量で膨張行程噴射が行われるので、次回サイクル以降でのサイクル間の燃焼変動を抑えることはできる。

このように、本実施の形態によれば、最大降下電圧と閾値Ｖｓとの比較によって、初期火炎の着火遅れが縮小している原因を特定することができ、また、この原因がハードウェア公差による場合には、増量後の噴射量で修正する学習を行うことで、次回サイクル以降での燃焼変動の増大を抑えることができる。

［実施の形態２での具体的処理］
図１１は、本発明の実施の形態２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１１に示すルーチンのステップＳ１２０〜Ｓ１２６の処理内容は、図７に示したルーチンのステップＳ１００〜Ｓ１０６の処理内容と同一であることから説明を省略する。以下は、ステップＳ１２６の判定以降の説明である。
から行う。

ステップＳ１２６において、ＳＡ−ＣＡ２が閾値ＣＤ_０−２よりも大きいと判定された場合（“Ｙｅｓ”の場合）、初期火炎の着火遅れが燃焼変動の増大前の同着火遅れよりも拡大していると推定できるので、次回サイクルにおける膨張行程噴射での噴射量を減らす（ステップＳ１２８）。一方、ＳＡ−ＣＡ２が閾値ＣＤ_０−２以下と判定された場合（“Ｎｏ”の場合）、初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の同着火遅れよりも縮小していると推定できるので、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、最大降下電圧が閾値Ｖｓよりも小さいか否かが判定される。最大降下電圧は、点火プラグ３２の２次電圧の波形を計測することにより取得することができる。そして、最大降下電圧が閾値Ｖｓよりも小さいと判定された場合には、ハードウェア公差によって上述した誘引作用が弱まっていると推定できる。そのため、次回サイクルにおける膨張行程噴射での噴射量を増やし（ステップＳ１３２）、ＥＣＵ４０のＲＯＭに記憶させている噴射量に、増量後の噴射量を反映させる（ステップＳ１３４）。一方、最大降下電圧が閾値Ｖｓ以上であると判定された場合には、初期火炎を生じさせる混合気の濃度が必要以上に高くなっていると推定できるので、次回サイクルにおける膨張行程噴射での噴射量を増やす（ステップＳ１３６）。

以上説明した図１１に示したルーチンによれば、サイクル間の燃焼変動が増大していると推定された場合に、初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の同着火遅れよりも拡大しているか否かの推定結果に応じて、次回サイクルにおける膨張行程噴射での噴射量、すなわち、次回サイクルにおける総噴射量に占める膨張行程噴射の割合を変更することができる。従って、触媒暖機制御中のサイクル間の燃焼変動を抑えて、ドライバビリティに影響が出るのを抑えることができる。また、図１１に示したルーチンによれば、最大降下電圧が閾値Ｖｓよりも小さいと判定された場合に、ＥＣＵ４０のＲＯＭに記憶させている噴射量に、増量後の噴射量を反映させることができる。従って、次回サイクル以降でのサイクル間の燃焼変動を抑えることもできる。

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
４０ＥＣＵ
４２筒内圧センサ
４４クランク角センサ
４６温度センサ

Claims

燃焼室の上部に設けられて筒内に燃料を直接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、前記燃焼室の上部、且つ、前記燃焼室内に形成されるタンブル流の流れ方向において前記インジェクタよりも下流側に設けられると共に、前記インジェクタから前記点火プラグに向けて噴射される燃料噴霧の外郭面よりも上方となるように設けられた点火プラグと、
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し、尚且つ、終了時期が前記点火期間の終了時期よりも進角側となる第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、各サイクルにおける前記第１噴射の噴射量と、初期値が一定の前記第２噴射の噴射量との合計に基づいて算出される筒内空燃比を目標空燃比に設定すると共に、サイクル間の燃焼変動に関する推定を行い、サイクル間の燃焼変動が増大していると推定された場合には、前記第１噴射による燃料噴霧を含む混合気と放電火花とから発生する初期火炎の着火遅れに相関する指標に基づいて、前記合計に占める前記第１噴射と前記第２噴射の割合を変更す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、前記指標に基づいて、前記初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて縮小しているか否かを推定し、前記初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて縮小していると推定した場合には前記合計に占める前記第２噴射の割合を増やす側に変更し、前記初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前の着火遅れよりも拡大していると推定した場合には前記合計に占める前記第２噴射の割合を減らす側に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。
前記制御装置は、前記初期火炎の着火遅れがサイクル間の燃焼変動の増大前に比べて縮小していると推定した場合に、前記点火期間中に降下する前記点火プラグの２次電圧の最低値が閾値よりも小さいか否かを判定し、前記最低値が前記閾値よりも小さいと判定されたときには前記合計に占める前記第２噴射の変更後の割合に基づいた前記第２噴射の噴射量の学習を行い、前記最低値が前記閾値以上と判定されたときには前記第２噴射の噴射量の学習を行わないことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。