JP6551535B2 - 内燃機関の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御方法及び制御装置に関する。

ＪＰ２００９−８５０１２Ａには、吸気行程中にメイン燃料噴射を行い、圧縮行程中にタンブル流動を強化するようにサブ燃料噴射を行うことにより、筒内の混合気の均質性を向上させることが開示されている。

しかしながら、タンブル流動は、圧縮行程の進行に伴って徐々に弱まり、やがて崩壊するので、上記文献のようにタンブル流動を強化しても、そのタンブル流動を点火時期まで維持することは難しい。そして、点火時期における筒内のガス流動が弱いほど燃焼安定性は低くなる。すなわち、上記文献のようにタンブル流動を強化すれば、筒内の混合気の均質性を向上させることはできるが、混合気が均質化されてもプラグ点火時にプラグ放電チャンネルが十分伸長しないと確実な着火が望めない。

本発明の目的は、筒内直噴内燃機関における着火性を改善することである。

本発明のある態様によれば、複数の噴孔を有し筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、噴射した燃料へ着火する点火プラグとを備える内燃機関の制御方法が提供される。この制御方法では、隣り合う２つの噴孔であって、噴射される２本の燃料噴霧のなす角が当該２本の燃料噴霧のそれぞれが他の隣り合う燃料噴霧となす角度よりも小さくなる噴孔から噴射される燃料噴霧に挟まれ、かつ当該２本の燃料噴霧の一方の燃料噴霧の上側外縁と他方の燃料噴霧の上側外縁とを含む平面と、一方の燃料噴霧の下側外縁と他方の燃料噴霧の下側外縁とを含む平面とで挟まれる範囲内に放電領域が位置するよう配置される点火プラグで、燃料噴霧により気流の乱れが生じている間に火花点火を行なう。

図１は、内燃機関システムの全体構成の説明図である。 図２は、筒内に生ずるタンブル流動の説明図である。 図３は、タンブル流動崩壊の説明図である。 図４Ａは、燃料噴射タイミングと点火時期との関係を示す図である。 図４Ｂは、燃料噴射タイミングと点火時期との関係を示す図である。 図５は、プラグ近傍における流動付与の説明図である。 図６は、燃料噴射弁による乱流増加の説明図である。 図７は、点火プラグ近傍におけるプラグ放電チャンネルの説明図である。 図８は、燃料噴射弁の噴射形態を示す図である。 図９は、噴霧ビームについて説明するための図である。 図１０は、第１実施形態の点火プラグと燃料噴射弁の配置を示す図である。 図１１は、縮流について説明する為の図である。 図１２は、放電領域と噴霧ビームとの関係を示す図である。 図１３は、点火プラグの位置と燃焼安定度を説明するための図である。 図１４は、点火プラグの位置と燃焼安定度との関係を示す図である。 図１５は、放電領域と噴霧ビームとの関係を示す図である。 図１６は、点火プラグの位置と当量比との関係を示す図である。 図１７は、隣り合う噴霧ビームより近い位置に燃焼室壁面がある場合を示す図である。 図１８は、プラグ放電チャンネル伸長制御のフローチャートである。 図１９は、点火プラグ近傍の流速と燃焼期間との関係を表す図である。 図２０は、点火プラグ近傍の流速と燃料噴射弁作動量との関係を表す図である。 図２１は、流動付与によるＡ／Ｆ耐力向上の効果の説明図である。 図２２は、本実施形態を適用する運転領域の説明図である。 図２３は、第２実施形態の点火プラグと燃料噴射弁の配置を示す図である。 図２４は、第３実施形態の噴霧ビームと放電領域との関係を示す図である。 図２５は、点火プラグの位置と燃焼安定度を説明するための図である。 図２６は、燃焼安定度と燃料噴射圧力との関係を示す図である。 図２７は、第４実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図２８は、第１実施形態ないし第４実施形態を適用可能な内燃機関の他の例を示す図である。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、内燃機関システムの全体構成の説明図である。内燃機関システム１において内燃機関１０は、吸気通路５１に接続されている。また、内燃機関１０は、排気通路５２に接続されている。

吸気通路５１にはタンブルコントロールバルブ１６が設けられる。タンブルコントロールバルブ１６は、吸気通路５１の流路断面の一部を閉塞することにより筒内にタンブル流動を生成する。

吸気通路５１にはコレクタタンク４６が設けられている。コレクタタンク４６にはＥＧＲ通路５３ｂも接続されている。

吸気通路５１にはエアフローメータ３３が設けられる。エアフローメータ３３に接続するコントローラ５０は、エアフローメータ３３から吸気通路５１における吸気量を取得する。また、吸気通路５１には吸気温センサ３４が設けられる。吸気温センサ３４に接続するコントローラ５０は、吸気温センサ３４から吸気通路５１を通過する空気の温度を取得する。

また、吸気通路５１には電子制御スロットル４１が設けられ、コントローラ５０によりスロットル開度が制御される。

排気通路５２には排気浄化用の排気触媒４４、４５が設けられる。排気触媒４４、４５には三元触媒等が用いられる。また、排気通路５２はその途中でコレクタタンク４６と接続するＥＧＲ通路５３に分岐する。

ＥＧＲ通路５３にはＥＧＲクーラー４３が設けられる。また、ＥＧＲ通路５３には、ＥＧＲバルブ４２が設けられる。ＥＧＲバルブ４２は、コントローラ５０に接続される。そして、内燃機関１０の運転条件に応じて、コントローラ５０によりＥＧＲバルブ４２の開度が制御される。

内燃機関１０は、点火プラグ１１と燃料噴射弁１２と吸気側可変動弁機構１３と排気側可変動弁機構１４と燃料噴射ポンプ１５を備える。燃料噴射弁１２は直上噴射弁であり、点火プラグ１１の近傍に設けられる。

点火プラグ１１は、内燃機関１０の燃焼室内で火花点火を行う。点火プラグ１１は、コントローラ５０に接続され、コントローラ５０によって火花点火時期が制御される。点火プラグ１１は、後述するように流速センサ２３としても動作する。流速検出の方法については後述する。

燃料噴射弁１２は、内燃機関１０の燃焼室内に燃料を直接噴射する。燃料噴射弁１２は、コントローラ５０に接続され、燃料噴射タイミングが制御される。本実施形態では、吸気行程を含めて複数回燃料噴射を行う、いわゆる多段噴射が行われる。燃料噴射ポンプ１５は、この燃料噴射弁１２に接続する燃料供給配管に加圧した燃料を供給する。

吸気側可変動弁機構１３は、吸気弁の開閉時期を変化させる。排気側可変動弁機構１４は、排気弁の開閉時期を変化させる。吸気側可変動弁機構１３及び排気側可変動弁機構１４は、コントローラ５０に接続される。そして、コントローラ５０によって、これらの開閉時期が制御される。なお、ここでは、吸気側可変動弁機構１３及び排気側可変動弁機構１４を示しているが、いずれか一方を有するものであってもよい。

内燃機関１０には、クランク角センサ２７と筒内圧センサ３５が設けられる。クランク角センサ２７は、内燃機関１０におけるクランク角を検出する。クランク角センサ２６はコントローラ５０に接続され、内燃機関１０のクランク角をコントローラ５０に送る。

筒内圧センサ３５は、内燃機関１０における燃焼室の圧力を検出する。筒内圧センサ３５はコントローラ５０に接続される。そして、内燃機関１０における燃焼室の圧力をコントローラ５０に送る。

また、内燃機関１０は、ノックセンサ２１や燃圧センサ２４を備えることとしてもよい。コントローラ５０は、前述の各種センサ及び図示しないその他のセンサからの出力を読み込み、これらに基づいて点火時期、バルブタイミング、空燃比等の制御を行う。また、コントローラ５０は、後述するプラグ放電チャンネル伸長制御を行う。

図２は、筒内に生ずるタンブル流動の説明図である。図３は、タンブル流動崩壊の説明図である。これらの図には、吸気通路５１と排気通路５２と点火プラグ１１と燃料噴射弁１２とタンブルコントロールバルブ１６が示されている。また、点火プラグ１１の中心電極１１ａと外側電極１１ｂが示されている。さらに、図２には、吸入行程における筒内のタンブル流動が矢印で示されている。図３には、圧縮行程における筒内のタンブル流動が矢印で示されている。

吸入行程において、タンブルコントロールバルブ１６が閉じられていると、吸気は吸気通路５１の図中上側に偏って流れ、筒内に流入する。その結果、図示するように筒内には縦方向に旋回するタンブル流動が形成される。その後、圧縮行程においてピストンが上昇することにより筒内の燃焼室が狭まる。燃焼室が狭くなると、タンブル流動は押しつぶされ、徐々にその流動を維持できなくなり（図３）、やがて崩壊する。

タンブル流動が維持されている間に燃料と吸気との混合が促進される。よってタンブル流動の崩壊後には、筒内の混合気は均質化している。しかし、タンブル流動の崩壊後は、筒内は流動が弱まってプラグ点火時にプラグ放電チャンネルＣＮが十分伸長しない状態になる。特に、点火プラグ近傍の流動が弱まると火花点火により発生した火炎核が成長し難くなるので、失火やパーシャルバーンを起こしやすくなる。

そこで、本実施形態では、圧縮上死点以降のプラグ点火時にプラグ放電チャンネルＣＮが十分伸長するように、点火時近傍のタイミングにおいて点火プラグ近傍に流動を与える。具体的には、前述した多段噴射の吸気行程と膨張行程に加えて、タンブル流動崩壊後からプラグ放電チャンネル生成までの間に、さらに燃料噴射を行なってもよいし（図４Ａ）、多段噴射の膨張行程噴射をタンブル流動崩壊後からプラグ放電チャンネル生成までの間に行ってもよい（図４Ｂ）。ただし、後述する燃料噴霧による気流の乱れによって噴霧の一部が点火プラグ１１の電極１１ａ、１１ｂに付着する可能性を考慮すると、図４Ａのように膨張行程噴射の後にプラグ放電チャンネルＣＮを伸長させるためだけに少量（トータル噴射量の１割程度）の燃料を噴射する方が望ましい。

なお、ここでいう「プラグ放電チャンネル」とは、点火プラグの電極１１ａ、１１ｂの間に生ずるアークである。燃料噴射弁１２は点火プラグ１１の近傍に配置されているので、噴射された燃料の一部は点火プラグ１１の近傍を通過する。これにより、点火プラグ１１近傍に流動が付与されるわけである。

また、プラグ放電チャンネルが伸長するように流動を付与すれば、火炎核の成長が促進され、さらなる燃焼性の向上が望める。プラグ放電チャンネルの伸長については後述する。

図５は、プラグ近傍における流動付与の説明図である。上述したように、燃料噴射弁１２は直上噴射弁であり、点火プラグ１１の近傍に設けられる。そのため、噴射された燃料の一部は放電ギャップ近傍を通過することになる。よって、タンブル流動が崩壊した後に燃料噴射が行われることにより、点火プラグ近傍に流動を付与することができる。なお、燃料噴射弁１２から噴射される燃料噴霧の形態、及び燃料噴霧と点火プラグ１１との位置関係については後述する。

図６は、燃料噴射弁による乱流増加の説明図である。図６には、任意のタイミングで燃料噴射を行ったときの筒内の乱流強度が示されている。図６のグラフにおいて、横軸は吸気下死点から圧縮上死点のクランク角であり、縦軸は乱流強度である。前述のように圧縮行程においてタンブル流動は崩壊する。そのため、圧縮行程において乱流強度も徐々に弱くなる。しかしながら、図６に示すように、任意のタイミングで燃料噴射を行うことによって、乱流強度を高めることができることがわかる。すなわち、燃料噴射を行うことによって流動を与えることができる。

図７は、点火プラグ近傍におけるプラグ放電チャンネルの説明図である。図７には、点火プラグ１１の中心電極１１ａと外側電極１１ｂが示されている。また、伸長させられたプラグ放電チャンネルＣＮが示されている。また、ここでは、プラグ放電チャンネルＣＮの様子に着目するために、燃料噴射弁１２は省略しているが、前述の図５と同様に吸気通路５１寄りに設けられる。なお、プラグ放電チャンネルＣＮが十分伸長するように点火プラグ近傍に流動を与えられれば、燃料噴射弁１２の先端は必ずしも点火プラグ１１に向いていなくてもよく、違う方向に向いていても燃焼室内で反射し点火プラグ近傍に流動が与えられる実施形態でもよい。

タンブル流動崩壊後における点火プラグ１１近傍の流動は小さい。よって、火花点火が行われると、通常であれば、中心電極１１ａと外側電極１１ｂとの間をほぼ直線的に跨ぐようにプラグ放電チャンネルＣＮが生成される。しかしながら、本実施形態では、タンブル流動の崩壊後からプラグ放電チャンネルＣＮが生成されるまでの間に、燃料噴射弁１２による燃料噴射により点火プラグ１１の近傍に流動が付与される。そして付与された流動により、図７に示されるように中心電極１１ａと外側電極１１ｂとの間のプラグ放電チャンネルＣＮが伸長する。

このようにすることで、タンブル流動崩壊後に燃焼室内に流動を付与し、プラグ放電チャンネルＣＮを伸長させることができるので、パーシャルバーン及び失火を抑制し燃焼安定性を改善することができる。特に、後述するようにＥＧＲを用いた場合やリーンバーンを採用する場合のように通常よりも火炎伝播燃焼しにくい状況下においても安定して火花点火を行わせることができる。

次に、燃料噴射弁１２から噴射される燃料噴霧の形態、及び燃料噴霧と点火プラグ１１との位置関係について説明する。

図８は燃料噴射弁１２から噴射される燃料噴霧の形態を示している。図９は図８の円Ａを含む平面を図８の矢印IX方向から見た図である。

本実施形態の燃料噴射弁１２は６つの噴孔から燃料が噴射される。６つの噴孔から噴射される燃料噴霧（以下、噴霧ビームともいう）をＢ１−Ｂ６としたとき、各噴霧ビームは噴孔から遠ざかるほど噴霧断面が広くなる円錐形状である。また、噴霧ビームＢ１−Ｂ６を、円Ａを含む平面で切断した場合の断面は、図９に示すように等間隔で円環状に並ぶ。

図１０は、噴霧ビームＢ１−Ｂ６と点火プラグ１１との位置関係を示す図である。燃料噴射弁１２は、噴霧ビームＢ２の中心軸Ｂ２ｃと噴霧ビームＢ３の中心軸Ｂ３ｃとがなす角の二等分線である一点鎖線Ｃ上に配置される。

図１１は、図１０のような配置にすることによる効果を説明する為の図である。

燃料噴射弁１２から噴射された燃料は、液滴へと分裂して噴霧になり、図中の太線矢印のように周囲の空気を取り込みながら前進する。これにより、噴霧の周りに気流の乱れが発生する。

また、流体は、周囲に物体（流体を含む）がある場合には、いわゆるコアンダ効果によってその物体に引き寄せられ、その物体に沿って流れる。すなわち、図１０の配置では、噴霧ビームＢ２と噴霧ビームＢ３とが図１１の細線矢印のように引き合う、いわゆる縮流が生じる。

これにより、噴霧ビームＢ２と噴霧ビームＢ３との間には、非常に強い乱れが生じることとなり、この乱れによってプラグ放電チャンネルＣＮを伸長させることができる。

図１２は、図１０を矢印XIIの向きから見た場合の、点火プラグ１１と噴霧ビームＢ３との位置関係を示す図である。図１２では、中心電極１１ａと外側電極１１ｂとで挟まれる放電領域が、噴霧ビームＢ３の図中上側の外縁と図中下側の外縁とで挟まれる範囲内に配置される。なお、図示はしないが、図１０を矢印XIと反対方向から見ると、点火プラグ１１と噴霧ビームＢ２との位置関係は図１２と対象になり、放電領域が噴霧ビームＢ２の上側の外縁と下側の外縁とで挟まれる範囲内に配置される。すなわち、噴霧ビームＢ２の上側外縁と噴霧ビームＢ３の上側外縁とを含む平面と、噴霧ビームＢ２の下側外縁と噴霧ビームＢ３の下側外縁とを含む平面とで挟まれる範囲内に放電領域が配置されるように点火プラグ１１が配置されている。

上記のような配置にすることで、上述した噴霧ビーム間の気流の乱れをより効果的に利用して燃焼安定度を向上させることができる。上記の配置は気流の乱れを最も効果的に利用できる配置であるが、隣り合う噴霧ビームの間で気流の乱れが生じる範囲内に放電領域が配置されていれば気流の乱れによってプラグ放電チャンネルは伸長するので、燃焼安定度を高める効果は得られる。

ここで、点火プラグ１１の位置と燃焼安定度との関係について説明する。

図１３は、燃料噴射弁１２の位置を固定したまま、点火プラグ１１のＺ方向位置をずらした状態を示す図である。（ｂ）は図１２と同様の配置である。（ａ）は点火プラグ１１のＺ軸方向位置が（ｂ）よりもマイナス側にずれた状態、（ｃ）は同じくプラス側にずれた状態を示している。図１４は、点火プラグ１１のＺ軸方向位置と燃焼安定度との関係を示す図である。図１４の縦軸は燃焼安定度であり、図中下側に行くほど燃焼安定度は高い。

（ａ）の場合は、噴霧ビームＢ２の中心軸と噴霧ビームＢ３の中心軸とを含む平面と、噴霧ビームＢ２の上側外縁と噴霧ビームＢ３の上側外縁とを含む平面とに挟まれた範囲内に放電領域がない。このため、両噴霧ビーム間に生じた気流の乱れの影響が放電領域に及び難い。すなわち、（ａ）の配置では、プラグ放電チャンネルＣＮを伸長させる効果が（ｂ）に比べて小さくなる。

（ｃ）の場合は、（ａ）の場合と同様に気流の乱れの影響が放電領域に及び難く、さらに、噴霧ビームＢ２、Ｂ３が点火プラグ１１に衝突するおそれもある。すなわち、（ｃ）の配置ではプラグ放電チャンネルＣＮを伸長させる効果が（ｂ）に比べて小さくなる。

その結果、図１４に示すように、（ａ）の場合や（ｃ）の場合に比べて（ｂ）の場合の方が燃焼安定度は高くなる。なお、噴霧ビームＢ２の中心軸と噴霧ビームＢ３の中心軸とを含む平面と、噴霧ビームＢ２の上側外縁と噴霧ビームＢ３の上側外縁とを含む平面又は噴霧ビームＢ２の下側外縁と噴霧ビームＢ３の下側外縁とを含む平面とに挟まれた範囲内に、放電領域が配置された場合も、（ｂ）の場合に近い燃焼安定度を得ることができる。

具体的なＺ軸方向位置は使用する燃料噴射弁１２により異なる。いわゆるマルチホール式の燃料噴射弁１２においては、噴孔径が大きいほど図１２に示したコーン角が大きくなる傾向があり、コーン角が大きくなるほど隣り合う噴霧ビーム間の距離は短くなる。そこで、例えばコーン角が図１２に示したものより大きい場合には、点火プラグ１１のＺ軸方向位置を図１２の場合のよりもマイナス側にずらした方が、より高い燃焼安定度を得ることができる。

次に、燃料噴射弁１２の噴孔から点火プラグ１１までの距離について説明する。ここでいう距離とは、図１５に示すように、燃料噴射弁１２の中心軸方向をＸ軸とし、噴孔の位置を０とした場合のＸ軸方向の長さである。

図１６は、Ｘ軸方向の距離ｘと、距離ｘにおける噴霧断面の噴霧内部の混合比（当量比φ）との関係を示す図である。なお、当量比φは空気過剰率λの逆数である。

図１６に示すように、距離ｘが大きくなるほど、当該距離ｘにおける噴霧断面の噴霧内部の当量比φは減少する。これは、燃料噴霧が周囲の空気を巻き込みながら前進する際の燃料噴霧と空気との間の運動量の交換に関する、和栗らによる噴霧の運動量理論（式（１））で示される通りである。

例えば触媒暖機運転のように、膨張行程噴射によって点火プラグ周りに成層混合気を形成し、燃料噴射後の膨張行程中に点火を行なう燃焼形態では、点火時期においてタンブル流動は崩壊しており、筒内にはプラグ放電チャンネルＣＮを伸長させるための燃料噴射による気流の乱れ以外の乱れはない。つまり、筒内全体でみれば気流の乱れはほとんどないものとみなすことができる。気流の乱れがない場合には、燃焼は層流燃焼速度が支配的であり、層流燃焼速度は当量比φが１よりも大きな値で最大となる。つまり、もっとも燃焼し易くなる。一方、当量比φが小さくなるほど燃焼し難くなる。

放電領域周辺の当量比φが適切でないと、上述した燃料噴霧による気流の乱れによってプラグ放電チャンネルＣＮを伸長させても燃焼し難くなる。そこで、燃焼安定度を確保できる当量比の範囲を狙いの当量比範囲として設定し、この狙いの当量比範囲となるｘｍｉｎからｘｍａｘまでの範囲に放電領域が位置するように点火プラグ１１を配置する。

上述したように点火プラグ１１と燃料噴射弁１２とを配置することで、燃料噴射によりプラグ放電チャンネルＣＮを伸長させて燃焼安定度を確保することができる。

なお、上述した点火プラグ１１と燃料噴射弁１２との配置においては、噴霧ビームＢ２または噴霧ビームＢ３から燃焼室の壁面（天井面を含む）までの距離（噴霧壁面間距離）が、噴霧ビームＢ２と噴霧ビームＢ３との間の距離（噴霧間距離）よりも長いことが前提となる。これは、次の理由による。図１７に示すように噴霧間距離Ｌ１が、噴霧ビームＢ３から燃焼室壁面までの噴霧壁面間距離Ｌ２より短い場合には、噴霧ビームＢ３は噴霧ビームＢ２よりも燃焼室壁面に強く引き寄せられる。その結果、噴霧ビームＢ２と噴霧ビームＢ３との間に気流の乱れが生じ難くなり、プラグ放電チャンネルＣＮを伸長させる効果が得にくくなる。なお、噴霧間距離Ｌ１は、対向する噴霧ビーム外縁間の距離であり、噴孔から遠ざかるにつれて長くなる。

次に、プラグ放電チャンネルＣＮを伸長させる制御について説明する。

図１８は、プラグ放電チャンネル伸長制御のフローチャートである。本ルーチンは例えば１０ミリ秒程度の短い間隔でコントローラ５０によって繰り返し実行される。

コントローラ５０は、内燃機関１０の燃焼状態を検知する（Ｓ１）。内燃機関１０の燃焼状態は、例えば、内燃機関１０の回転速度変動に基づいて検知することができる。このとき、内燃機関１０の回転速度変動が所定量よりも小さい場合には、内燃機関１０の燃焼状態が良好であると判定することができる。内燃機関１０の回転速度変動は、クランク角センサ２７からの出力に基づいて求めることができる。

なお、内燃機関１０の燃焼状態は、内燃機関１０に設けられた筒内圧センサ３５から得られる筒内圧変動に基づいて検知することとしてもよい。この場合、筒内圧変動が所定量よりも小さい場合には、内燃機関１０の燃焼状態が良好であると判定することができる。また、トルクセンサを設けることとしてトルク変動に基づいて燃焼安定性を検知することとしてもよい。また、イオンセンサを設けることとして、イオン濃度の変動に基づいて燃焼安定性を検知することとしてもよい。

次に、コントローラ５０は、流動計測を行うか否かを判定する（Ｓ２）。流動計測を行うか否かについては、ステップＳ１において求めた内燃機関１０の燃焼状態に基づいて判定することができる。そして、内燃機関１０の燃焼状態が良好でないときには、コントローラ５０は、次のステップで点火プラグ１１の近傍の流動を計測する（Ｓ３）。具体的には、点火プラグ１１の近傍の流速を計測する。一方、内燃機関１０の燃焼状態が良好のときには、本制御を終了する。

なお、流動計測を行うか否かについては、ＥＧＲ率に基づいて判定することとしてもよい。具体的には、ＥＧＲ率が所定値よりも高い場合には、流動計測を行うものと判定することができる。これは、ＥＧＲ率が高いと失火及びパーシャルバーンが生じやすくなるためである。

また、流動計測を行うか否かについては、リーンバーン運転時においてＡ／Ｆ値が所定値よりも高い場合、すなわち空燃比が所定値よりもリーン側で運転を行っている場合に、流動計測を行うものと判定することもできる。これは、リーン側で運転を行っている場合も失火及びパーシャルバーンが生じやすくなるためである。

ステップＳ３において、コントローラ５０は、点火プラグ１１の近傍の流動を計測する。流動の計測は圧縮行程の後半において行われる。点火プラグ１１の近傍の流動を計測する流速センサは、例えば、点火プラグ１１を利用して次のように構成することができる。

点火プラグ１１の中心電極１１ａに流れる電流値を計測する電流計を設ける。また、点火プラグの外側電極１１ｂに流れる電流値を計測する電流計を設ける。そして、点火プラグ１１の近傍の流速を計測するタイミングで、中心電極１１ａと外側電極１１ｂとの間に短パルスの電界を付与する。この短パルスの電界は、火花点火しない程度の微弱な電界である。

電極１１ａ、１１ｂの間に電圧が印加されると中心電極１１ａから電子が放出される。放出された電子は、電極１１ａ、１１ｂの間の流動によって流される。そして、流速が速いほど外側電極１１ｂに到達しない電子が多くなる。そのため、流速が速いほど、中心電極１１ａ側で計測される電流に比して外側電極１１ｂ側で計測される電流が小さくなることになる。

これら電流値の差と流速との関係を予め求めておく。そして、流速を求めるタイミングで電極１１ａ、１１ｂの間に短パルスを印加する。そして、中心電極１１ａの電流値と外側電極１１ｂの電流値との差を求めることによって、流速を求めることができることになる。

図１９は、点火プラグ近傍の流速と燃焼期間との関係を表す図である。図１９のグラフにおいて、横軸は点火プラグ１１近傍の流速であり、縦軸は燃焼期間である。点火プラグ１１近傍の流速が速ければ、燃焼速度は速いため燃焼期間は短くなるという関係がある。燃焼期間がある長さよりも長くなってしまうと燃焼を完了できない。よって、燃焼期間には適合値が存在する。そして、この適合値よりも燃焼期間が長くならないようにするために、この適合値に対応する流速よりも計測された流速が遅い場合には、流速が不足しているものとして流動を付与するようにする。

そのために、コントローラ５０は、流動が不足しているか否かについて判定する（Ｓ４）。流動が不足しているか否かについては、計測された流速が所定速度よりも遅いか否かに基づいて判定することができる。ここで、所定速度とは、前述の適合値に対応する点火プラグ１１近傍の流速である。そして、計測された流速が所定速度よりも小さく、流動が不足していると判定された場合には、コントローラ５０は、燃料噴射弁１２の作動量を算出する（Ｓ５）。

図２０は、点火プラグ近傍の流速と燃料噴射弁作動量との関係を表す図である。図２０のグラフにおいて、横軸は点火プラグ近傍の流速であり、縦軸は燃料噴射弁作動量である。そして、所定の燃料噴射弁作動量において作動許可上限が示されている。

算出された作動量が大きすぎる場合、その作動量で燃料を噴射すると燃料の混合が不十分となる場合がある。燃料の混合が不十分な場合、排気性能が悪化する。そのため、燃料の混合が不十分とならない程度の燃料を噴射するように、作動量許可上限が設定されている。

コントローラ５０は、算出した噴射弁作動量が作動許可上限未満である場合には、算出した作動量で燃料噴射弁に燃料を噴射させる（Ｓ７）。そして、点火プラグ近傍に流動を付与する。なお、このとき、火花点火時期に対して最も流動を付与できる燃料噴射タイミングを算出し、算出された燃料噴射タイミングで燃料を噴射することで流動を付与することが望ましい。

一方、算出した燃料噴射弁作動量が作動許可上限未満でない場合には、コントローラ５０は、燃料噴射弁１２に許可上限の作動量で燃料を噴射させる（Ｓ８）。そして、コントローラ５０は、可能な限りの作動量で燃料噴射弁１２に流動を付与させる。

このようにすることによって、タンブル流動が崩壊し点火プラグ近傍の流動が不足しているときであっても流動を付与することができるので、プラグ放電チャンネルＣＮを伸長させて燃焼安定性を改善することができる。また、ＥＧＲ時においては、失火及びパーシャルバーンを抑制することができるので、高ＥＧＲ燃焼を実現することができる。

上記実施形態では、点火プラグ近傍の流速が不足するサイクルにおいて流動を付与することとしていた。しかしながら、流動の付与は毎サイクルにおいて行うこととしてもよい。特に、リーンバーン運転時において、上記流動の付与を毎サイクル行うこととしてもよい。このようにすることによって、希釈混合気の火炎伝播速度を確保し、リーンバーン運転時において失火及びパーシャルバーンの発生を抑制することができる。また、解析の結果で統計的に所定の確率で流動が弱くなるサイクルが生ずる場合には、そのサイクルで流動を付与するようにしてもよい。

図２１は、流動付与によるＡ／Ｆ耐力向上の効果の説明図である。図２１のグラフにおいて、横軸はＡ／Ｆ（空燃比）であり、縦軸は乱流強度である。ここで、Ａ／Ｆ耐力向上とは、よりリーンで安定的に燃焼を行わせることができることをいう。また、図２１のグラフには、乱流強度に対する燃焼限界線が示されている。図２１において、燃焼限界線よりも左側では安定的に燃焼を行わせることが困難となる。

図２１において、乱流強度が約３．２（ｍ／ｓ）のとき、燃焼限界Ａ／Ｆは約１９．５である。これに対し、流動を付与することにより乱流強度を約３．８（ｍ／ｓ）にまで上昇させた場合、燃焼限界Ａ／Ｆは２１．５にまで向上する。すなわち、Ａ／Ｆ耐力が向上する。

前述のように、燃料噴射を行うとプラグ近傍に流動を付与することができる。これにより筒内の乱流強度も強められプラグ放電チャンネルＣＮが伸長するので、図２１に示されるようなＡ／Ｆ耐力向上効果を得ることができる。

また、過給機を備え過給リーンバーンを行う内燃機関において上記制御を行うこととしてもよい。このとき、前述のような各気筒に直上噴射弁を設けると共に、各気筒の吸気ポートにインジェクションを設けるマルチポートインジェクションを採用することとしてもよい。また、各気筒に直上噴射弁を設けると共に、各気筒にサイド噴射弁を設けることとしてもよい。

図２２は、本実施形態を適用する運転領域の説明図である。図２２のグラフにおいて、横軸は内燃機関回転速度であり、縦軸は負荷である。本実施形態のように、混合気の均質度を高め、かつ、乱流増大の効果を得るためには、燃圧を高めることができ、かつ、点火直前の燃料噴射量が少ないことが望ましい。内燃機関速度及び負荷の高い領域においては、燃料噴射量は多くなる。よって、高圧で多段噴射を行うことが可能である。そのため、リーンブースト領域（図中の領域Ａ）において効果的に本実施形態を適用することができる。

ところで、上記のように圧縮行程で燃料噴射を行った場合、燃焼室内の混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになる場合も考えられる。流速の計測は、圧縮行程の後半に行われる。多段噴射であって圧縮行程前に燃料噴射を行う場合には、理論空燃比となる量の燃料噴射を圧縮行程前に完了してしまっている場合がある。このとき、タンブル流動崩壊後に追加的に燃料噴射を行った場合、１つの気筒内における混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになってしまう。

このような場合には、コントローラ５０は、他の気筒での混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるように燃料噴射量を制御する。そして、複数の気筒におけるトータルの混合気の空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を制御する。例えば、４気筒のうちある１気筒で空燃比が理論空燃比よりもリッチになった場合には、残りの３気筒で空燃比を理論空燃比よりもリーンとする。そして、４気筒全体での空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を制御する。このようにすることによって、三元触媒を効果的に働かせることができるので、排気性能も向上させることができる。

なお、流速を計測することなく、毎サイクルでタンブル流動崩壊後に燃料を噴射する場合には、多段噴射の各噴射において予め噴射量を決めておくことができる。よって、この場合、各噴射の噴射量を調整して各気筒において１サイクルにおける混合気の空燃比が理論空燃比となるようにする。このようにすることによって、三元触媒を効果的に働かせることができるので、排気性能も向上させることができる。

上記実施形態において、点火プラグ１１を用いて流速を計測することとしていたが、流速の計測方法は上記手法に限られない。例えば、筒内に流速計を設け、これにより流速を計測することとしてもよい。また、筒内のイオン電流を検知したり、筒内圧センサ３５の変動に基づいて流速を計測することとしてもよい。

また、上記プラグ放電チャンネルＣＮを伸長させるにあたり、点火プラグ１１の放電電圧を高めることとしてもよい。また、プラグ放電チャンネルＣＮを伸長させることができれば、プラグ放電チャンネル生成前でなくプラグ放電チャンネル生成時に流動を与えることとしてもよい。

流動付与のための燃料噴射は圧縮行程において行われる。圧縮行程における燃料噴射タイミングの制約条件は、混合気の不均質性である。あまり遅い時期に燃料噴射を行えば、混合気の不均質性から燃焼安定性を損なうことになる。そのため、燃焼安定性に基づいて流動付与のための燃料噴射のタイミングをフィードバック制御することとしてロバスト性を増すこととしてもよい。

次に、本実施形態の効果を説明する。

上述の通り本実施形態では、複数の噴孔を有し筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１２と、噴射した燃料へ着火する点火プラグ１１とを備える内燃機関を、燃料噴射弁１２から燃料噴射を行い、隣り合う２つの噴孔から噴射される燃料噴霧に挟まれ、かつ気流の乱れが生じる範囲内に放電領域が位置するよう配置される点火プラグ１１で、燃料噴射により気流の乱れが生じている間に火花点火を行なうよう制御する。周囲の空気を取り込むエントレイメント効果により２本の燃料噴霧に縮流が生じ、それにより生じる気流の乱れによってプラグ放電チャンネルが伸長されて火炎伝播が促進される。その結果、燃焼安定度が向上する。

また、本実施形態は、膨張行程中に燃料噴射を行ないリタード燃焼させる際に、燃料噴射により気流の乱れが生じている間に点火プラグで火花点火を行う。なお、ここでいうリタード燃焼とは、膨張行程中に燃料噴射を行なった後、膨張行程中に火花点火を行なう燃料形態である。例えば、触媒の暖機促進のためのリーンバーン運転のように、膨張行程噴射によって点火プラグ周りに成層混合気を生成して、膨張行程中に点火を行なう場合にも適用可能である。すなわち、膨張行程噴射により点火プラグ周りに成層混合気を形成した後、さらに燃料噴射を行い、当該後の燃料噴射により気流の乱れが生じている間に点火プラグで火花点火を行う。上記のリーンバーン運転時には、点火時期が膨張行程まで遅角されており、かつ内燃機関１０は低温なので、燃焼には不利な状態であるが、本実施形態を適用することにより、燃焼安定度を向上させることができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、基本的な構成及びプラグ放電チャンネルを伸長させるための制御は第１実施形態と同様であるが、噴霧ビームＢ１−Ｂ６の形態が第１実施形態とは異なる。

図２３は、本実施形態の噴霧ビームＢ１−Ｂ６と点火プラグ１１との位置関係を示す図である。

第１実施形態では、噴霧ビームＢ１−Ｂ６は等間隔で形成されるが、本実施形態では、噴霧ビームＢ２と噴霧ビームＢ３とがなす角度αが、噴霧ビームＢ２と噴霧ビームＢ１とがなす角度γ及び噴霧ビームＢ３と噴霧ビームＢ４とがなす角度βよりも小さい。なお、２本の噴霧ビームがなす角度は、各噴霧ビームの中心軸間の角度である。

これにより、噴霧ビームＢ２は噴霧ビームＢ１よりも噴霧ビームＢ３に強く引かれ、噴霧ビームＢ３は噴霧ビームＢ４よりも噴霧ビームＢ２に強く引かれることとなる。その結果、各噴霧ビームＢ１−Ｂ６が等間隔で形成される場合に比べて、噴霧ビームＢ２と噴霧ビームＢ３との間の縮流が促進され、より強い気流の乱れを生成することができる。

以上のように本実施形態では、放電領域を挟む２本の燃料噴霧（噴霧ビームＢ２、Ｂ３）がなす角度が、当該２本の燃料噴霧のそれぞれが他の隣り合う燃料噴霧（噴霧ビームＢ１、Ｂ４）となす角度よりも小さい。これにより、放電領域を挟む２つの燃料噴霧間で縮流が生じ易くなり、より大きな気流の乱れを生じさせることができる。

（第３実施形態）
本実施形態は、基本的な構成及びプラグ放電チャンネルを伸長させるための制御は第１実施形態と同様であるが、点火プラグ１１を挟み込む噴霧ビームＢ２と噴霧ビームＢ３との位置関係が第１実施形態とは異なる。

第１実施形態では、図１０の矢印XII方向から見た場合に、噴霧ビームＢ２と噴霧ビームＢ３とが重なる。しかし、本実施形態では、図２４に示す通り、シリンダ軸と平行で噴孔を通る基準線と噴霧ビームＢ２とがなす角度をθ１、基準線と噴霧ビームＢ３とがなす角度をθ２としたときに、θ１≠θ２である。

例えば、吸気２弁式の内燃機関１０において運転状態に応じて一方の吸気弁を作動させずに閉弁状態に維持する機構を備える場合や、筒内流動がタンブル流とスワール流とが混ざったような状態になる場合には、空気と燃料との混合を促進するために上記のような噴霧形態にすることがある。

上記のようにθ１≒θ２の場合でも、点火プラグ１１と燃料噴射弁１２との位置関係を設定する考え方は同様である。

すなわち、点火プラグ１１のＺ軸方向の位置は、噴霧ビームＢ２の中心軸と噴霧ビームＢ３の中心軸とを含む平面と、噴霧ビームＢ２の上側外縁と噴霧ビームＢ３の上側外縁とを含む平面とが、放電領域を通過するように設定する。

また、点火プラグ１１と燃料噴射弁１２とのＸ軸方向の距離ｘは、燃焼安定度を確保できる当量比の範囲を狙いの当量比範囲として設定し、この狙いの当量比範囲となるｘｍｉｎからｘｍａｘまでの範囲に放電領域が位置するように設定する。

以上のように本実施形態では、放電領域を挟む２本の燃料噴霧は、それぞれシリンダ軸線となす角度が異なる。これにより、内燃機関１０がとり得る様々な運転形態に対応して、プラグ放電チャンネルを伸長して燃焼安定度を高めるという効果が得られる。

（第４実施形態）
第１実施形態ないし第３実施形態で説明したように点火プラグ１１及び燃料噴射弁１２の配置を設定したとしても、製造誤差や組み立て工程におけるバラツキ等により、設定通りの配置にならない場合もある。そして、設定通りの配置にならなければ、燃焼安定度は低下してしまう。

例えば、製造誤差により点火プラグ１１のネジ切り部分が規定値より短い場合には、点火プラグ１１のＺ軸方向の位置が設定通りの配置よりもマイナス方向にずれる（図２５の点Ａ）。また、組み立て工程において点火プラグ１１を締め付け過ぎると、点火プラグ１１のＺ軸方向の位置が設定通りの配置よりプラス方向にずれる（図２５の点Ｃ）。いずれの場合も、設定通りに配置された場合（図２５の点Ｂ）に比べて、燃焼安定度は低下する。なお、図２５の「目標値」は、内燃機関１０の運転に支障のない燃焼安定度として設定したものである。

図２６は、内燃機関１０の負荷と燃焼安定度と燃料噴射圧力（燃圧ともいう）との関係を示す図であり、縦軸が燃焼安定度、横軸が負荷であり、図中の曲線は等燃圧線である。図２６に示すように、内燃機関１０の負荷が一定の場合に燃焼安定度は燃料噴射圧（燃圧ともいう）に感度を有する。

そこで本実施形態では、上述した製造誤差等があった場合でも燃焼安定度が目標値を満足するように、内燃機関１０の稼働中に、以下に説明する制御ルーチンを実行する。

図２７は、コントローラ５０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。

コントローラ５０は、内燃機関１０が稼働したら、燃焼安定度が目標値を満足しているか否かを判定する（Ｓ２０）。燃焼安定度は、例えば、内燃機関１０が備えているノックセンサ２１の検出信号を用いて、予め作成しておいたマップを検索することによって取得する。また、筒内圧センサ３５の検出値に基づいて図示平均有効圧Ｐｉを算出し、そのサイクルばらつきに基づいて燃焼安定度を取得することもできる。

コントローラ５０は、ステップＳ２０で燃焼安定度が目標値を満足していると判定した場合には今回のルーチンを終了し、満足していないと判定した場合にはステップＳ３０の処理を実行する。

ステップＳ３０で、コントローラ５０は燃圧を上昇させる。上昇量は、例えば図２６に示した関係を予めマップ化しておき、当該マップに基づいて設定することができる。

以上のように本実施形態では、燃焼が安定しているか否かを判定し、安定していない場合には燃料噴射圧力を上昇させる。例えば、燃焼安定度が予め設定した目標値に達しているか否かを判定し、目標値に達していない場合には燃圧を上昇させる。燃圧を上昇させることで燃料噴霧の流速が高まって気流の乱れが増大するので、製造誤差や組み付け工程のバラツキにより燃料噴霧と放電領域との位置にずれが生じても、プラグ放電チャンネルを伸長して燃焼安定度を高める効果が得られる。

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。例えば、各実施形態では燃料噴射弁１２が燃焼室の天井面中央付近に配置された、いわゆる直上噴射型の場合について説明したが、これに限られるわけではない。例えば、図２８に示すような、天井面中央の点火プラグ１１の他に、燃焼室の側壁部にも点火プラグ１１を備え、側壁部の点火プラグ１１の近傍に燃料噴射弁１２を備える構成であっても、同様に適用することが可能である。また、燃焼室に臨む燃料噴射弁１２の他に、吸気通路５１に臨む燃料噴射弁を備える内燃機関に適用することも可能である。

上述した各実施形態は、それぞれ単独の実施形態として説明したが、適宜組み合わせてもよい。

Claims (5)

1. 複数の噴孔を有し筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   噴射した燃料へ着火する点火プラグと、
   を備える内燃機関の制御方法において、
   前記燃料噴射弁の各噴孔から燃料噴霧を行い、
   隣り合う２つの前記噴孔であって、噴射される２本の燃料噴霧のなす角が当該２本の燃料噴霧のそれぞれが他の隣り合う燃料噴霧となす角度よりも小さくなる前記噴孔から噴射される燃料噴霧に挟まれ、かつ当該２本の燃料噴霧の一方の燃料噴霧の上側外縁と他方の燃料噴霧の上側外縁とを含む平面と、一方の燃料噴霧の下側外縁と他方の燃料噴霧の下側外縁とを含む平面とで挟まれる範囲内に放電領域が位置するよう配置される前記点火プラグで、前記燃料噴霧により気流の乱れが生じている間に火花点火を行なう内燃機関の制御方法。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御方法において、
   膨張行程中に燃料噴射を行ないリタード燃焼させる際に、燃料噴射により気流の乱れが生じている間に点火プラグで火花点火を行う内燃機関の制御方法。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の制御方法において、
   燃焼が安定しているか否かを判定し、
   安定していない場合には燃料噴射圧力を上昇させる内燃機関の制御方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の制御方法において、
   前記放電領域を挟む２本の燃料噴霧は、それぞれシリンダ軸線となす角度が異なる内燃機関の制御方法。
5. 複数の噴孔を有し筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   噴射した燃料へ着火する点火プラグと、
   を備える内燃機関の制御装置において、
   前記燃料噴射弁及び前記点火プラグは、前記点火プラグの放電領域が隣り合う２つの前記噴孔から噴射される燃料噴霧に挟まれ、かつ当該２本の燃料噴霧の一方の燃料噴霧の上側外縁と他方の燃料噴霧の上側外縁とを含む平面と、一方の燃料噴霧の下側外縁と他方の燃料噴霧の下側外縁とを含む平面とで挟まれる範囲内に位置するように配置され、
   前記放電領域を挟む２本の燃料噴霧がなす角度は、当該２本の燃料噴霧のそれぞれが他の隣り合う燃料噴霧となす角度よりも小さく、
   前記燃料噴射弁の各噴孔から燃料噴霧を行い、前記燃料噴霧により気流の乱れが生じている間に前記点火プラグで火花点火を行なう制御部を備える内燃機関の制御装置。

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