JP7119019B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、直噴式内燃機関の稼働を制御する内燃機関の制御装置に関する。

直噴式の内燃機関では、機関温度が低い場合に、インジェクタから噴射された燃料がピストン冠面等に付着して煤が発生するおそれがあり、煤の発生を抑制することが要求される。この点に関し、従来、圧縮行程の後半で理論混合比付近となるように燃料を噴射するとともに、点火時期を遅角化するようにした装置が知られている。

特開２００４－３４００４０号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置のように、圧縮行程後半で燃料を噴射するとともに点火時期を遅角する構成では、ピストン冠面等への煤の付着を効果的に抑えることが困難である。

本発明の一態様は、シリンダの内部を往復動するピストンと、ピストンに面したシリンダ内の燃焼室にピストンの冠面に向けて燃料を噴射する燃料噴射部と、を有する内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、吸気行程の開始から圧縮行程の終了までの範囲内で、所定時間間隔を空けて複数回、燃料を噴射するように燃料噴射部を制御する燃料制御部と、ピストン冠面への燃料の付着を抑制するように予め定められた燃料噴射の禁止範囲であり、吸気行程が開始される第１クランク角から圧縮行程が終了する第２クランク角までの範囲のうち、クランク角が第１クランク角から所定増加角だけ増加した第１禁止範囲と第２クランク角から所定減少角だけクランク角が減少した第２禁止範囲とを含む禁止範囲を記憶する記憶部と、憶部に記憶された禁止範囲を除く噴射可能範囲内で燃料噴射部により噴射される燃料の噴射回数を設定する回数設定部と、を備え、噴射制御部は、回数設定部により設定された噴射回数の燃料が噴射可能範囲内で燃料噴射部から噴射されるように所定時間間隔を設定する間隔設定部を有し、間隔設定部は、燃料噴射部から噴射される燃料の噴霧先端までの噴霧長さが噴射可能範囲内で単発噴射を行うときの噴霧長さよりも所定割合以上短くなるように所定時間間隔を設定し、噴射制御部は、所定時間間隔を空けて噴射可能範囲で複数回燃料を噴射するように燃料噴射部を制御する。

本発明によれば、ピストン冠面等への煤の付着を効果的に抑えることができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用されるハイブリッド車両の走行駆動部の構成を概略的に示す図。 図１のエンジンの要部構成を概略的に示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置の要部構成を示すブロック図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による噴射モードの遷移の一例を示す図。 図４の付着低減モードに対応した噴射マップの一例を示す図。 図３の状態判定部の機能的構成を示すブロック図。 図３のコントローラで実行される処理の一例を示すフローチャート。 点火時期のリタードと出力トルクとの関係の一例を示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による第１運転状態における動作特性の一例を示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による第２運転状態における動作特性の一例を示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による第３運転状態における動作特性の一例を示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による第４運転状態における動作特性の一例を示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による第５運転状態における動作特性の一例を示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による第６運転状態における動作特性の一例を示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による第７運転状態における動作特性の一例を示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による第８運転状態における動作特性の一例を示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による動作の一例であり、エンジン冷却水温と正味燃料消費率との関係を示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による動作の一例であり、吸入空気量とリタード量との関係を示す図。 図３のコントローラで実行される処理の一例を示すフローチャート。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による動作の一例を示すタイムチャート。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による動作の他の例を示すタイムチャート。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による動作のさらに他の例を示すタイムチャート。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による動作のさらに他の例を示すタイムチャート。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による動作のさらに他の例を示すタイムチャート。 図３のインジェクタ制御部の構成をより詳細に示すブロック図。 図４の付着低減モードにおける噴射パターンの一例を模式的に示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による燃料噴射の禁止エリアと噴射可能エリアの区別を模式的に示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用されるインジェクタの燃料噴射の動作を模式的に示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による燃料噴射タイミングと煤の付着量との関係を示す図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置による分割噴射時の各噴射の時間間隔と噴霧長さとの関係を示す図。 図１９のインジェクタ制御部で実行される処理の一例を示すフローチャート。 図６の筒内温度判定部の構成をより具体化した温度取得装置の要部構成を示すブロック図。 ピストン冠面の昇温の特性を示す図。

以下、図１～図２７を参照して本発明の一実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関としての直噴式のガソリンエンジンを搭載する車両に適用される。すなわち、エンジンのみを駆動源として走行するエンジン車およびエンジンとモータとを駆動源として走行するハイブリッド車両に適用される。以下では、特に、内燃機関の制御装置を、ハイブリッド車両に適用する例を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用されるハイブリッド車両の走行駆動部の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、エンジン（ＥＮＧ）１の出力軸１ａには第１モータジェネレータ（ＭＧ１）２が接続され、駆動輪４の回転軸４ａには第２モータジェネレータ（ＭＧ２）３が接続される。第１モータジェネレータ２は、主に、エンジン１により駆動されて電力を発生する発電機として機能し、第１モータジェネレータ２から発生した電力は、図示しないインバータを介してバッテリ（ＢＡＴ）５に蓄電される。第２モータジェネレータ３は、主に、図示しないインバータを介してバッテリ５から供給される電力によって駆動する走行用モータとして機能する。

エンジン１の出力軸１ａと駆動輪４の回転軸４ａとの間にはクラッチ６が介装され、出力軸１ａと回転軸４ａとは、クラッチ６を介して連結または遮断される。出力軸１ａと回転軸４ａとが遮断されると、車両は第２モータジェネレータ３の動力のみによって走行する（ＥＶ走行）。出力軸１ａと回転軸４ａとがクラッチ６を介して連結されると、車両はエンジン１の動力のみによって走行（エンジン走行）またはエンジン１と第２モータジェネレータ３の動力によって走行する（ハイブリッド走行）。すなわち、車両は、ＥＶ走行を行うＥＶモード、エンジン走行を行うエンジンモード、およびハイブリッド走行を行うハイブリッドモードに、走行モードを変更することができる。

図２は、エンジン１の要部構成を概略的に示す図である。エンジン１は、車両の減速走行時等に複数の気筒への燃料供給を停止する燃料カット機能を有する火花点火式の内燃機関であり、動作周期の間に吸気、膨張、圧縮および排気の４つの行程を経る４ストロークエンジンである。吸気行程の開始から排気行程の終了までを、便宜上、燃焼行程の１サイクルまたは単に１サイクルと称する。エンジン１は４気筒、６気筒、８気筒等、複数の気筒を有するが、図２には、単一の気筒の構成を示す。なお、各気筒の構成は互いに同一である。

図２に示すように、エンジン１は、シリンダブロック１０１に形成されたシリンダ１０２と、シリンダ１０２の内部に摺動可能に配置されたピストン１０３と、ピストン１０３の冠面（ピストン冠面）１０３ａとシリンダヘッド１０４との間に形成された燃焼室１０５と、を有する。ピストン冠面１０３ａには、例えばシリンダ内のタンブル流に沿うように凹部１０３ｂが形成される。ピストン１０３は、コンロッド１０６を介してクランクシャフト１０７に連結され、シリンダ１０２の内壁に沿ってピストン１０３が往復動することにより、クランクシャフト１０７（図１の出力軸１ａ）が回転する。

シリンダヘッド１０４には、吸気ポート１１１と排気ポート１１２とが設けられる。燃焼室１０５には、吸気ポート１１１を介して吸気通路１１３が連通する一方、排気ポート１１２を介して排気通路１１４が連通する。吸気ポート１１１は吸気バルブ１１５により開閉され、排気ポート１１２は排気バルブ１１６により開閉される。吸気バルブ１１５の上流側の吸気通路１１３には、スロットルバルブ１１９が設けられる。スロットルバルブ１１９は、例えばバタフライ弁により構成され、スロットルバルブ１１９により燃焼室１０５への吸入空気量が調整される。吸気バルブ１１５と排気バルブ１１６とは動弁機構１２０により開閉駆動される。

シリンダヘッド１０４には、それぞれ燃焼室１０５に臨むように点火プラグ１１および直噴式のインジェクタ１２が装着される。点火プラグ１１は、吸気ポート１１１と排気ポート１１２との間に配置され、電気エネルギーにより火花を発生し、燃焼室１０５内の燃料と空気との混合気を点火する。

インジェクタ１２は、吸気バルブ１１５の近傍に配置され、電気エネルギーにより駆動されて燃料を噴射する。より詳しくは、インジェクタ１２には、燃料ポンプを介して燃料タンクから高圧の燃料が供給される。インジェクタ１２は、燃料を高微粒子化して、燃焼室１０５内に所定のタイミングで斜め下方に向けて燃料を噴射する。なお、インジェクタ１２の配置はこれに限らず、例えば点火プラグ１１の近傍に配置することもできる。

動弁機構１２０は、吸気カムシャフト１２１と排気カムシャフト１２２とを有する。吸気カムシャフト１２１は、各気筒（シリンダ１０２）にそれぞれ対応した吸気カム１２１ａを一体に有し、排気カムシャフト１２２は、各気筒にそれぞれ対応した排気カム１２２ａを一体に有する。吸気カムシャフト１２１と排気カムシャフト１２２とは、不図示のタイミングベルトを介してクランクシャフト１０７に連結され、クランクシャフト１０７が２回転する度にそれぞれ１回転する。

吸気バルブ１１５は、吸気カムシャフト１２１の回転により、不図示の吸気ロッカーアームを介して、吸気カム１２１ａのプロファイルに応じた所定のタイミングで開閉する。排気バルブ１１６は、排気カムシャフト１２２の回転により、不図示の排気ロッカーアームを介して、排気カム１２２ａのプロファイルに応じた所定のタイミングで開閉する。

排気通路１１４には、排気ガスを浄化するための触媒装置１３が介装される。触媒装置１３は、排ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを酸化・還元作用によって除去・浄化する機能を有する三元触媒である。なお、排ガス中のＣＯ、ＨＣの酸化を行う酸化触媒等、他の触媒装置を用いることもできる。触媒装置１３に含まれる触媒の温度が高くなると触媒が活性化し、触媒装置１３による排ガスの浄化作用が高まる。

エンジン１は、燃費の向上を目的として、エンジン走行時に所定の燃料カット条件が成立するとインジェクタ１２からの燃料噴射を停止するフューエルカット機能を有する。すなわち、燃料カット条件が成立すると、燃料カットモード（Ｆ／Ｃモードと呼ぶ）に移行して燃料噴射が停止される。燃料カット条件は、例えばアクセルペダルの操作量（アクセル開度）が所定値以下で、かつ、クランクシャフト１０７の回転数（エンジン回転数）が所定値以上で、かつ、車速が所定値以上の状態が検出されると、成立する。例えば減速走行時に燃料カット条件が成立する。Ｆ／Ｃモードでは、燃焼室１０５内への吸気が継続される。

さらにエンジン１は、燃費の向上を目的として、所定のアイドリングストップ条件が成立するとインジェクタ１２からの燃料噴射を停止するアイドリングストップ機能を有する。すなわち、アイドリングストップ条件が成立するアイドリングストップモード（Ｉ／Ｓモードと呼ぶ）に移行して燃料噴射が停止される。アイドリングストップ条件は、例えば停車時等、車速が所定車速以下で、かつ、アクセルペダルが非操作で、かつ、ブレーキペダルの操作が検出されると成立する。Ｉ／Ｓモードではエンジン１の稼働が停止しており、ＥＶ走行のときと同様、燃焼室１０５内への吸気が停止する。

図示は省略するが、エンジン１は、排気ガスの一部を吸気系に還流する排気ガス再循環装置、ブローバイガスを吸気系に戻して再燃焼させるブローバイガス還元装置、および燃料タンク内で蒸発した燃料ガスの吸気系への供給を制御するパージ制御装置などを有する。排気ガス再循環装置には、動弁機構１２０の制御によって排気ガスを燃焼室１０５で再循環させる内部ＥＧＲと、排気通路１１４からの排気ガスの一部を、ＥＧＲ通路およびＥＧＲバルブを介して吸気系に導く外部ＥＧＲとが含まれる。パージ制御装置は、燃料タンク内で蒸発した燃料ガスを吸気系に導くパージ通路、パージ通路の途中に設けられ、パージ通路を通過するガスの流れを制御するパージバルブと、を有する。なお、エンジン１は、過給機を備えることもできる。

図３は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置の要部構成を示すブロック図である。図３に示すように、内燃機関の制御装置は、エンジン制御用のコントローラ３０を中心として構成され、コントローラ３０に接続された各種のセンサやアクチュエータなどを有する。具体的には、コントローラ３０には、クランク角センサ３１と、アクセル開度センサ３２と、水温センサ３３と、吸気量センサ３４と、ＡＦセンサ３５と、点火プラグ１１と、インジェクタ１２とが接続される。

クランク角センサ３１は、クランクシャフト１０７に設けられ、クランクシャフト１０７の回転に伴いパルス信号を出力するように構成される。コントローラ３０は、クランク角センサ３１からのパルス信号に基づいて、ピストン１０３の吸気行程開始時の上死点ＴＤＣの位置を基準としたクランクシャフト１０７の回転角度（クランク角）を特定するとともに、エンジン回転数を算出する。

アクセル開度センサ３２は、車両の図示しないアクセルペダルに設けられ、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出する。アクセル開度センサ３２の検出値に応じてエンジン１の目標トルクが指令される。水温センサ３３は、エンジン１を冷却するためのエンジン冷却水が流れる経路に設けられ、エンジン冷却水の温度（冷却水温）を検出する。吸気量センサ３４は、吸入空気量を検出するセンサであり、例えば吸気通路１１３（より具体的にはスロットルバルブの上流）に配置されたエアフロメータにより構成される。ＡＦセンサ３５は、触媒装置１３の上流の排気通路１１４に設けられ、排気通路１１４における排気ガスの空燃比を検出する。

コントローラ３０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成され、ＣＰＵ等の演算部と、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶部と、その他の周辺回路とを有するコンピュータを含んで構成される。コントローラ３０は、機能的構成として、噴射モード切換部３０１と、温度情報取得部３０２と、状態判定部３０３と、点火制御部３０４と、インジェクタ制御部３０５とを有する。

噴射モード切換部３０１は、エンジン１の運転状態に応じて噴射モードを切り換える。図４は、例えばイグニッションスイッチのオンによりエンジン１の稼働が開始（スタート）されてから、イグニッションスイッチのオフによりエンジン１の稼働が停止（エンド）されるまでの間における、噴射モードの遷移の一例を示す図である。図４に示すように、噴射モードは、始動モードＭ１と、触媒暖機モードＭ２と、付着低減モードＭ３と、均質向上モードＭ４と、ノック抑制モードＭ５と、燃料停止モードＭ６とを含む。均質向上モードＭ４とノック抑制モードＭ５とは、ピストン温度（筒内温度）が高い高筒内温度状態であり、均質向上モードＭ４とノック抑制モードＭ５とをまとめて高筒内温度モードＭ７と呼ぶ。

図中の燃料停止モード以外の各モードＭ１～Ｍ５には、吸気行程の開始（吸気上死点ＴＤＣ）から圧縮行程の終了（圧縮上死点ＴＤＣ）までの区間のクランク角を、吸気上死点ＴＤＣを起点とした時計周りの円の角度によって示すとともに、燃料噴射のタイミングを、円の中心から放射状に延びる扇形のハッチングによって示す。吸気行程は、クランク角が０°以上１８０°以下の範囲であり、圧縮行程は、クランク角が１８０°以上３６０以下の範囲である。なお、クランク角が０°以上９０°以下の範囲を吸気行程前半、９０°以上１８０°以下の範囲を吸気行程後半、１８０°以上２７０°以下の範囲を圧縮行程前半、２７０°以上３６０°以下の範囲を圧縮行程後半と呼ぶことがある。

始動モードＭ１は、エンジン１を始動するためのモードであり、イグニッションスイッチのオン直後またはＥＶモードやＩ／Ｓモードからの復帰時に実行される。始動モードＭ１では、エンジン１のクランキング後に、図示のように圧縮行程前半で２回に分けて、すなわち圧縮２段で燃料が噴射されて混合気が生成される。この場合の１回当たりの噴射量は互いに等しい。圧縮行程で燃料を噴射することで、エンジン１の始動性を向上することができる。また、圧縮行程前半で燃料を多段噴射することで、１回当たりの燃料噴射量が抑えられる。その結果、ピストン冠面１０３ａやシリンダ１０２の壁面への燃料の付着を抑えることができ、煤の発生を抑制することができる。

なお、始動性の向上と煤の抑制とを両立することができるのであれば、始動モードＭ１は、圧縮２段に限らず圧縮行程で１回の噴射（圧縮１段）、または吸気行程と圧縮行程とでそれぞれ噴射（吸圧多段）等、他の噴射モードであってもよい。始動モードＭ１が完了すると、触媒暖機モードＭ２、付着低減モードＭ３および高筒内温度モードＭ７（例えば均質向上モードＭ４）のいずれかの噴射モードに移行する。

触媒暖機モードＭ２は、触媒装置１３の暖機を促進して触媒の早期活性化を実現するモードである。触媒暖機モードＭ２では、図示のように吸気行程で２回に分けて、すなわち吸気２段で燃料が噴射されて、混合気が生成される。この場合の１回当たりの噴射量は互いに等しい。さらに、触媒暖機モードＭ２では、点火プラグ１１による点火時期が、最大トルクが得られる最適点火時期ＭＢＴよりもリタード（遅角）される。点火時期のリタードによって混合気を後燃えさせることで、目標トルクを発生するための燃焼室１０５への空気供給量が増加して燃料噴射量が増加し、これにより混合気の燃焼によって生じる熱量が増加して、触媒装置１３を早期に暖機することができる。触媒暖機モードＭ２では、予めメモリに記憶された、エンジン回転数や吸入空気量に応じて変化することのない所定のタイミングで燃料が噴射される。

触媒暖機モードＭ２において吸気２段で燃料を噴射することで、混合気を均質化することができ、燃焼効率が高まり、エミッションの悪化を抑制することができる。なお、エミッションの悪化を抑制することができるのであれば、触媒暖機モードＭ２は、吸気２段に限らず吸気行程で１回の噴射（吸気１段）、または吸圧多段等、他の噴射モードであってもよい。触媒暖機モードＭ２が完了すると、付着低減モードＭ３または高筒内温度モードＭ７（例えば均質向上モードＭ４）に移行する。

付着低減モードＭ３は、ピストン温度が低温のときに煤の低減を目的として実行される。付着低減モードＭ３では、吸気行程開始時の吸気上死点ＴＤＣおよび圧縮行程終了時の圧縮上死点ＴＤＣの近傍の所定の噴射禁止領域以外の領域、すなわちピストン冠面１０３ａがインジェクタ１２から離れる領域（噴射可能領域）で、燃料が噴射される。噴射禁止領域は、例えば吸気行程前半の一部またはほぼ全域と、圧縮行程後半の一部あるいはほぼ全域とに設定される。

より詳しくは、噴射禁止領域はエンジン回転数に応じて設定される。エンジン回転数が高いほど、吸気行程でピストン冠面１０３ａがインジェクタ１２から退避する速度および圧縮行程でピストン冠面１０３ａがインジェクタ１２に接近する速度が速い。このため、エンジン回転数が高いほど、吸気行程における噴射禁止領域が狭くなり（噴射禁止領域の終了が進角側に移動）、圧縮行程における噴射禁止領域が広くなる（噴射禁止領域の開始が遅角側に移動）。

噴射可能領域における燃料の噴射回数と噴射タイミングとは、予めメモリに記憶されたマップ、例えば図５に示すマップにより決定される。すなわち、図５に示すように、エンジン回転数Ｎｅと目標噴射量Ｑとに応じた最大出力トルクの特性ｆ１に対応付けて、予め定められたマップにより決定され、１回～４回の範囲で噴射回数が定められる。噴射回数が複数回であるときの１回当たりの噴射量は互いに等しい。なお、目標噴射量Ｑは、実空燃比が目標空燃比となるような値として算出され、吸入空気量に応じて定まる。このため、図５のマップを、図４の均質向上モードＭ４のマップと同様、エンジン回転数Ｎｅと吸入空気量Ｇのマップに書き換えることもできる。

ピストン冠面１０３ａへの燃料の付着を抑えるためには、噴射回数を多くして１回当たりの噴射量を低減することが好ましい。しかし、インジェクタ１２の仕様によってインジェクタ１２の１回当たりの最小噴射量Ｑｍｉｎが規定され、インジェクタ１２は最小噴射量Ｑｍｉｎを下回る量の噴射を行うことはできない（ＭｉｎＱ制約）。したがって、目標噴射量が少ない領域では、噴射回数は１回となり、目標噴射量Ｑの増加に伴い、噴射回数が２回、３回および４回へと徐々に増加する。

一方、噴射回数を増加するためには、インジェクタ１２を高速で駆動する必要がある。そのため、例えばコントローラ３０のインジェクタ駆動用の電気回路におけるコンデンサの充放電を短時間で繰り返す必要がある。この場合、エンジン回転数Ｎｅが高いほど、インジェクタ１２の駆動速度を速める必要があり、コントローラ３０の電気的な負荷が増大して、コントローラ３０の発熱量が増大する。その結果、コントローラ３０の熱的な制約（ＥＣＵ熱制約）により、噴射回数が制限される。すなわち、エンジン回転数Ｎｅが小さい領域では、噴射回数が４回であるが、エンジン回転数Ｎｅの増加に伴い、噴射回数が３回、２回および１回と徐々に制限される。

以上より、例えばエンジン回転数Ｎｅが所定値Ｎ１未満かつ目標噴射量Ｑが所定値Ｑ３以上の領域ＡＲ１で、噴射回数は４回（４段噴射）に設定される。エンジン回転数Ｎｅが所定値Ｎ２未満かつ目標噴射量Ｑが所定値Ｑ２以上で、領域ＡＲ１を除く領域ＡＲ２で噴射回数は３回（３段噴射）に設定される。エンジン回転数Ｎｅが所定値Ｎ３未満かつ目標噴射量Ｑが所定値Ｑ１以上で、領域ＡＲ１，ＡＲ２を除く領域ＡＲ３で噴射回数は２回（２段噴射）に設定される。エンジン回転数Ｎｅが所定値Ｎ３以上または目標噴射量Ｑが所定値Ｑ１未満の領域ＡＲ４で、噴射回数は１回（単発噴射）に設定される。

なお、所定値Ｎ１～Ｎ３には、Ｎ１＜Ｎ２＜Ｎ３の関係があり、所定値Ｑ１～Ｑ３には、Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３の関係がある。所定値Ｎ１～Ｎ３，Ｑ１～Ｑ３は予め実験によって定められ、メモリに記憶される。付着低減モードＭ３での最大噴射回数は、インジェクタ１２やコントローラ３０等の仕様、およびインジェクタ１２の取付位置などにより定まり、４回より少ない、または４回より多い場合がある。付着低減モードが完了すると、高筒内温度モードＭ７（例えば均質向上モードＭ４）または燃料停止モードＭ６に移行する。

均質向上モードＭ４は、燃費が最適となる噴射モードである。均質向上モードでは、予めメモリに記憶されたエンジン回転数Ｎｅと吸入空気量Ｇとに応じた制御マップに従い、吸気１段または吸気２段の燃料噴射が行われる。すなわち、図４に示すように、エンジン回転数Ｎｅが低く、かつ、吸入空気量Ｇが多い高負荷低回転の領域では、吸気２段で燃料が噴射され、エンジン回転数Ｎｅが高いまたは吸入空気量Ｇが低い領域では、吸気１段で燃料が噴射される。この場合の制御マップは、冷却水温に応じて変化する。なお、吸気２段の１回当たりの噴射量は互いに等しい。均質向上モードにおいて、吸気１段または吸気２段で燃料を噴射することで、燃焼室１０５内の混合気がタンブル流れによって均質化され、燃焼効率を高めることができる。

さらに均質向上モードＭ４では、主にエンジン回転数Ｎｅと吸入空気量Ｇとに応じて点火プラグ１１の点火時期が制御される。具体的には、ノッキングが生じないまたは生じにくい領域では、圧縮上死点ＴＤＣよりも進角側の予めメモリに記憶された最適点火時期ＭＢＴに点火時期が制御される。一方、ノッキングが生じるまたは生じやすい領域、例えばエンジン回転数が低くかつ吸入空気量が多い高負荷低回転の領域では、ノッキングの発生を抑制するために、予めメモリに記憶された特性に従い点火時期が最適点火時期ＭＢＴよりもリタードされる。なお、ノッキングの発生を検出するノックセンサを設け、ノックセンサによりノッキングの発生が検出されると、点火時期をリタードするようにしてもよい。均質向上モードＭ４は、所定のノック抑制条件が成立すると、ノック抑制モードＭ５に切り換わる。

ノック抑制モードＭ５は、ノッキングの発生を抑制する噴射モードである。ノック抑制モードＭ５に移行すると、リタードされた点火時期がＭＢＴ側に戻される（進角される）とともに、吸気行程（例えば吸気行程前半）で１回かつ圧縮行程（例えば圧縮行程前半）で１回、燃料が噴射される（吸圧多段）。この場合、圧縮行程での噴射量は最小噴射量Ｑｍｉｎであり、目標噴射量Ｑから最小噴射量Ｑｍｉｎを減算した量が吸気行程で噴射される。圧縮行程で燃料を噴射することで、気化潜熱により燃焼室１０５のエンドガス温度が低減される。

これにより、点火時期のリタード量を抑えつつ、ノッキングの発生を抑制することができる。したがって、点火時期をリタードさせて吸気行程のみで燃料噴射を行う場合に比べて、燃焼効率を高めることができる。ノック抑制モードが完了すると、すなわちノック抑制条件が不成立となると、均質向上モードに切り換わる。つまり、高筒内温度状態（高筒内温度モードＭ７）であるときには、ノック抑制条件の成否に応じて噴射モードが均質向上モードＭ４とノック抑制モードＭ５との間で切り換わる。

燃料停止モードＭ６は、燃料噴射が停止して燃焼室１０５内で燃焼が停止したときのモードであり、ＥＶモード時、Ｆ／Ｃモード時およびＩ／Ｓモード時のいずれかにおいて、燃料停止モードＭ６に切り換わる。例えば付着低減モードＭ３で燃焼が停止すると、または高筒内温度モードＭ７で燃焼が停止すると、燃料停止モードＭ６に切り換わる。燃料停止モードＭ６が完了すると、噴射モードが始動モードＭ１、付着低減モードＭ３および高筒内温度モードＭ７のいずれかに切り換わる。

図３の温度情報取得部３０２は、シリンダ１０２内の温度情報を取得する。この温度情報は、シリンダ１０２内での燃料の付着に影響を及ぼす筒内温度の情報であり、ピストン冠面１０３ａの温度に対応する。したがって、ピストン冠面１０３ａの温度を精度よく検出可能なセンサを設けることができれば、温度情報取得部３０２は、そのセンサからの情報を取得すればよい。しかし、ピストン冠面１０３ａは高温の燃焼室１０５に面してシリンダ１０２内を往復動するため、ピストン冠面１０３ａの温度をセンサによって直接的に精度よく検出することは困難である。

一方、ピストン冠面１０３ａの温度は、燃焼室１０５での燃焼のために燃焼室１０５内に供給された吸入空気量Ｇと相関関係を有する。すなわち、吸入空気量Ｇの積算量が多いほど、燃焼室１０５内で発生する熱量が増加するため、筒内温度に対応するピストン冠面１０３ａの温度が上昇する。そこで、温度情報取得部３０２は、吸気量センサ３４からの信号を取得するとともに、取得した信号に基づいて吸入空気量Ｇの積算量を算出する。

状態判定部３０３は、噴射モードの切換に関わるエンジン１の運転状態を判定する。図６は、状態判定部３０３の機能的構成を示すブロック図である。図６に示すように、状態判定部３０３は、始動判定部３０３Ａと、触媒暖機判定部３０３Ｂと、筒内温度判定部３０３Ｃと、ノック判定部３０３Ｄと、燃料カット判定部３０３Ｅとを有する。

始動判定部３０３Ａは、図４の始動モードＭ１で、エンジン１が始動を完了したか否かを判定する。具体的には、クランク角センサ３１からの信号に基づいて算出されたクランキング後のエンジン回転数が、自力で回転を維持できる完爆回転数まで上昇した後、所定カウント値がカウントされたか否かにより、始動が完了したか否かを判定する。始動判定部３０３Ａによりエンジン１の始動が完了したと判定されると、噴射モード切換部３０１は、始動モードＭ１から触媒暖機モードＭ２、付着低減モードＭ３または高筒内温度モードＭ７（例えば均質向上モードＭ４）に噴射モードを切り換える。

始動判定部３０３Ａは、エンジン１の始動完了だけでなく、エンジン１の始動の要否も判定する。すなわち、図４の燃料停止モードＭ６で、ＥＶモードからエンジンモードまたはハイブリッドモードへ走行モードを切り換える必要があるか否か、およびＩ／Ｓモードから復帰する必要があるか否かを判定する。始動判定部３０３Ａによりエンジンモードへ切り換える必要がある、またはＩ／Ｓモードから復帰する必要があると判定されると、噴射モード切換部３０１は、噴射モードを燃料停止モードＭ６から始動モードＭ１に切り換える。

触媒暖機判定部３０３Ｂは、図４の触媒暖機モードＭ２で、触媒装置１３の暖機（触媒暖機）が完了したか否かを判定する。この判定は、エンジン１の総仕事量が、触媒暖機に要する目標総仕事量に到達したか否かの判定である。目標総仕事量は、予め記憶された関係式や特性あるいはマップを用いて、エンジン１の始動時に水温センサ３３により検出される冷却水温に応じて設定される。例えば冷却水温が低いと、エンジン１が暖機されていないため、触媒暖機に時間を要する。この点を考慮し、冷却水温が低いほど目標総仕事量が大きい値に設定される。

触媒暖機判定部３０３Ｂは、まず、水温センサ３３からの信号に基づいて、冷却水温に対応したエンジン１の総仕事量を算出する。そして、総仕事量が目標総仕事量に達すると、触媒暖機が完了したと判定する。触媒暖機判定部３０３Ｂにより触媒暖機が完了したと判定されると、噴射モード切換部３０１は、触媒暖機モードＭ２から付着低減モードＭ３または高筒内温度モードＭ７（例えば均質向上モードＭ４）に噴射モードを切り換える。

触媒暖機判定部３０３Ｂは、図４の始動モードＭ１において、触媒暖機の要否も判定する。例えばＥＶ走行からの復帰等で、冷却水温が高い場合には、目標総仕事量が０に設定され、触媒暖機が不要と判定する。この場合、噴射モード切換部３０１は、始動モードＭ１から付着低減モードＭ３または高筒内温度モードＭ７（例えば均質向上モードＭ４）に噴射モードを切り換える。一方、始動モードＭ１で目標総仕事量が０より大きい値に設定され、触媒暖機が必要と判定されると、噴射モード切換部３０１は、噴射モードを始動モードＭ１から触媒暖機モードＭ２に切り換える。

筒内温度判定部３０３Ｃは、温度情報取得部３０２により取得された吸入空気量Ｇの積算量に基づいて、筒内温度が所定値（例えば１００℃）以上であるか否かを判定する。すなわち、筒内温度が所定値以上の高筒内温度であるか、それとも所定値未満の低筒内温度であるかを判定する。筒内温度判定部３０３Ｃは、図４の始動モードＭ１と、触媒暖機モードＭ２と、燃料停止モードＭ６とで、それぞれ筒内温度が高筒内温度であるか否かを判定する。

ノック判定部３０３Ｄは、図４の均質向上モードＭ４において、ノック抑制条件の成否を判定する。この判定は、ノッキングの発生を抑制するための点火時期のリタード量が所定値以上になったか否かの判定であり、ノッキングの発生を抑制する噴射モードへの切換の要否の判定である。ノッキングは、エンジン回転が高いときおよび冷却水温が低いときには生じにくい。この点を考慮し、ノック抑制条件は、最適点火時期ＭＢＴからの点火時期のリタード量が所定値以上、かつ、冷却水温が所定値以上、かつ、エンジン回転数が所定値以下のときに成立する。ノック判定部３０３Ｄによりノック抑制条件が成立したと判定されると、噴射モード切換部３０１は、噴射モードを均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５に切り換える。

一方、ノック抑制モードＭ５において、ノック判定部３０３Ｄによりノック抑制条件が不成立と判定されると、噴射モード切換部３０１は、噴射モードをノック抑制モードＭ５から均質向上モードＭ４に切り換える。なお、均質向上モードＭ４を経ずに付着低減モードＭ３からノック抑制モードＭ５に噴射モードが切り換わることもある。すなわち、付着低減モードＭ３において、筒内温度判定部３０３Ｃにより高筒内温度と判定されると、ノック抑制モードＭ５に切り換わることもある。これにより、低筒内温度状態から所定の高筒内温度状態と推定されると、均質向上モードＭ４を経ずにノック抑制モードＭ５に速やかに移行することができ、燃焼効率を高めることができる。

燃料カット判定部３０３Ｅは、図４の触媒暖機モードＭ２、付着低減モードＭ３および高筒内温度モードＭ７において、燃料カットの要否を判定する。すなわち、ＥＶモード、Ｆ／ＣモードまたはＩ／Ｓモードへの切換が必要か否かを判定する。燃料カット判定部３０３Ｅにより燃料カットが必要と判定されると、噴射モード切換部３０１は、触媒暖機モードＭ２，付着低減モードＭ３または高筒内温度モードＭ７から燃料停止モードＭ６に噴射モードを切り換える。

図３の点火制御部３０４は、点火時期が、予めメモリに記憶された、運転状態に応じたマップや特性に従った目標点火時期となるように、点火プラグ１１に制御信号を出力する。例えば、触媒暖機モードＭ２では、点火時期が最適点火時期ＭＢＴよりもリタードするように点火プラグ１１に制御信号を出力する。均質向上モードＭ４では、点火時期が最適点火時期ＭＢＴとなるように、またはノッキングの発生を抑制するためにリタードするように、点火プラグ１１に制御信号を出力する。ノック抑制モードＭ５では、点火時期がリタードからＭＢＴ側に復帰（進角）するように点火プラグ１１に制御信号を出力する。

インジェクタ制御部３０５は、ＡＦセンサ３５により検出された実空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）となるようなフィードバック制御を行いながら、吸気量センサ３４により検出された吸入空気量に応じて１サイクル当たりの目標噴射量を算出する。そして、図４の噴射モードに応じて１回当たりの目標噴射量（単位目標噴射量）を算出し、この単位目標噴射量をインジェクタ１２が所定のタイミングで噴射するようにインジェクタ１２に制御信号を出力する。

図７は、予めメモリに記憶されたプログラムに従いコントローラ３０で実行される処理の一例、特に噴射モードの切換に係る処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えばイグニッションスイッチのオンによりエンジン１の稼働開始が指令されると開始され、所定周期で繰り返される。なお、図７では、図４の燃料停止モードＭ６から他の噴射モードへの切換、および他の噴射モードから燃料停止モードＭ６への切換に係る処理についての記載を省略する。

図７に示すように、まず、ステップＳ１で、始動完了フラグが１であるか否かを判定する。始動完了フラグは初期時点では０であり、始動モードＭ１でエンジン１の始動が完了すると１に設定される。ステップＳ１で否定されるとステップＳ２に進み、肯定されるとステップＳ２～ステップＳ４をパスしてステップＳ５に進む。ステップＳ２では、噴射モードを始動モードに切り換える。

次いで、ステップＳ３で、クランク角センサ３１からの信号に基づいて、エンジン１の始動が完了したか否か、すなわちエンジン回転数が完爆回転数に到達したか否かを判定する。ステップＳ３で肯定されるとステップＳ４に進み、否定されるとステップＳ２に戻る。ステップＳ４では、始動完了フラグを１にセットする。

次いで、ステップＳ５で、水温センサ３３からの信号に基づいて設定された目標総仕事量が０であるか否かにより、触媒装置１３の暖機運転が必要か否かを判定する。ステップＳ５で肯定されるとステップＳ６に進み、否定されるとステップＳ６、ステップＳ７をパスしてステップＳ８に進む。ステップＳ６では、噴射モードを触媒暖機モードＭ２に切り換える。ステップＳ７では、吸気量センサ３４からの信号に基づいてエンジン１の総仕事量を算出するとともに、総仕事量が目標総仕事量に達したか否かにより、触媒暖機が完了したか否かを判定する。ステップＳ７で肯定されるとステップＳ８に進み、否定されるとステップＳ６に戻る。

ステップＳ８では、温度情報取得部３０２により取得された吸入空気量Ｇの積算量に基づいて、筒内温度が所定値以上であるか否か、すなわち高筒内温度であるか否かを判定する。ステップＳ８で肯定されるとステップＳ９に進み、噴射モードを高筒内温度モードＭ７に切り換える。

次いで、ステップＳ１０で、点火時期の最適点火時期ＭＢＴからのリタード量と、水温センサ３３により検出された冷却水温と、クランク角センサ３１により検出されたエンジン回転数とに基づいて、ノック抑制条件が成立したか否かを判定する。ステップＳ１０で肯定されるとステップＳ１１に進み、否定されるとステップＳ１２に進む。ステップＳ１１では、噴射モードをノック抑制モードＭ５に切り換え、ステップＳ１２では、噴射モードを均質向上モードＭ４に切り換える。一方、ステップＳ８で否定されるとステップＳ１３に進み、噴射モードを付着低減モードＭ３に切り換える。

本実施形態に係る制御装置による主たる動作をより具体的に説明する。イグニッションスイッチがオンされると、圧縮２段で燃料が噴射され、エンジン１が始動される（ステップＳ２）。エンジン１の初回始動時等で、冷却水温が低い状態では、触媒装置１３の暖機運転が必要となり、吸気２段で燃料が噴射される（ステップＳ６）。このとき、点火時期が最適点火時期ＭＢＴよりもリタードされて混合気が後燃えされ、触媒装置１３を早期に暖機することができる。

触媒装置１３の暖機完了後（例えばエンジン１の初回始動後の暖機完了直後）に、筒内温度が、ピストン冠面１０３ａへの煤の付着を低減するために必要な所定温度（例えば１００℃）まで上昇していないことがある。この場合、煤の付着低減を優先するため、例えば吸気後半から圧縮前半の範囲内で、図５のマップに従い燃料が噴射される（ステップＳ１３）。したがって、例えば高負荷低回転の領域ＡＲ１において、噴射回数は４回となる。これにより、インジェクタ１２の１回当たりの燃料噴射量が減少し、燃料の付着を効果的に抑えることができる。

一方、触媒装置１３の暖機完了後の筒内温度が所定温度以上であるとき、仮にピストン冠面１０３ａに燃料が付着しても燃料は即座に蒸発するため、煤が発生しにくい。この場合、吸気行程（吸気２段または吸気単発）で燃料が噴射される（ステップＳ１２）。これにより燃焼室１０５内の混合気が均質化され、燃焼効率を高めることができる。なお、触媒暖機運転においても吸気２段で燃料が噴射されるが、触媒暖機運転とは、吸気行程での燃料の噴射タイミングが異なる。

筒内温度が高い状態において、吸気行程で燃料を噴射しているとき、ノッキング抑制条件が成立すると、吸気行程に加え、圧縮行程で最小噴射量Ｑｍｉｎの燃料が噴射される（ステップＳ１１）。これにより混合気の温度を低下させることができ、ノッキングの発生を抑制することができる。その結果、ノッキング抑制を目的とした点火時期のリタードの量を低減することができ、点火時期が最適点火時期ＭＢＴに近づくため、燃焼効率を高めることができる。

ＥＶモードやＩ/Ｓモードからの復帰時等でエンジン１が始動されたときには、冷却水温が十分に高いことがある。この場合には、エンジン始動後に触媒装置１３の暖機運転を行うことなく、高筒内温度モードＭ７（例えば均質向上モードＭ４）または付着低減モードＭ３に移行する（ステップＳ５→ステップＳ８→ステップＳ９、ステップＳ５→ステップＳ８→ステップＳ１３）。これにより、ピストン冠面１０３ａへの煤の付着を抑えながら、エンジン始動後に効率的な燃焼を行うことができる。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）本実施形態に係る内燃機関の制御装置は、シリンダ１０２内を往復動するピストン１０３と、ピストン１０３に面したシリンダ１０２内の燃焼室１０５に燃料を噴射するインジェクタ１２と、を有するエンジン１を制御するように構成される（図２）。この制御装置は、エンジン１の排気通路１１４に設けられた触媒装置１３の暖機運転が完了したか否かを判定する触媒暖機判定部３０３Ｂと、シリンダ１０２の内部の温度情報を取得する温度情報取得部３０２と、触媒暖機判定部３０３Ｂにより暖機運転が完了したと判定されると、温度情報取得部３０２により取得された温度情報に応じて、主に吸気後半から圧縮前半の範囲で１～４回の噴射を行う付着低減モードＭ３、および吸気単発または吸気２段で噴射する均質向上モードＭ４のいずれかに噴射モードを切り換える噴射モード切換部３０１と、噴射モード切換部３０１で切り換えられた噴射モードに応じて燃料を噴射するようにインジェクタ１２を制御するインジェクタ制御部３０５と、を備える（図３、６）。このように触媒装置１３の暖機運転の完了後に、均質向上モードＭ４だけでなく付着低減モードＭ３に切換可能とすることで、ピストン温度が低い低筒内温度状態である場合に、ピストン冠面１０３ａへの煤の付着を良好に抑えることができる。

（２）内燃機関の制御装置は、温度情報取得部３０２により取得された温度情報に基づいて、シリンダ１０２の内部の暖機が完了したか否か、つまりシリンダ１０２の内部の温度が低筒内温度であるか高筒内温度であるかを判定する筒内温度判定部３０３Ｃをさらに備える（図６）。噴射モード切換部３０１は、筒内温度判定部３０３Ｃにより低筒内温度と判定されると、つまりシリンダ１０２内の暖機が完了していないと判定されると、噴射モードを付着低減モードＭ３に切り換え、高筒内温度と判定されると、つまりシリンダ１０２内の暖機が完了したと判定されると、噴射モードを均質向上モードＭ４に切り換える（図７）。これにより、燃料の付着を効率的に抑えることができる。すなわち、触媒装置１３の暖機運転の完了後に筒内温度が低い場合があり、その場合に均質向上モードＭ４に移行すると、ピストン冠面１０３ａに煤が付着するおそれがあるが、付着低減モードＭ３に移行することにより、煤の発生を抑えることができる。

（３）内燃機関の制御装置は、エンジン１の回転数を検出するクランク角センサ３１と、エンジン１の出力トルクと相関関係を有する物理量として吸入空気量を検出する吸気量センサ３４と、をさらに備える（図３）。付着低減モードＭ３は、クランク角センサ３１により検出されたエンジン回転数Ｎｅと吸気量センサ３４により検出された吸入空気量（より厳密には、吸入空気量に対応した目標噴射量Ｑ）とに応じて、吸気行程と圧縮行程とにまたがる所定範囲の動作行程で燃料を１回または複数回（最大４回）噴射するモードである（図５）。均質向上モードＭ４は、クランク角センサ３１により検出されたエンジン回転数Ｎｅと吸気量センサ３４により検出された吸入空気量Ｇとに応じて、吸気行程で燃料を１回または複数回（２回）噴射するモードである（図４）。付着低減モードＭ３における燃料の最大噴射回数（４回）は、均質向上モードＭ４における燃料の最大噴射回数（２回）よりも多い。これにより、付着低減モードＭ３におけるインジェクタ１２の１回当たりの噴射量を、均質向上モードＭ４におけるインジェクタ１２の１回当たりの噴射量よりも低減することができ、燃料の付着を良好に抑えることができる。

（４）内燃機関の制御装置は、エンジン１のノッキングの発生を抑制するための点火時期のリタード量が所定値以上になったか否か等のノック抑制条件の成否を判定するノック判定部３０３Ｄをさらに備える（図６）。噴射モード切換部３０１は、噴射モードが付着低減モードＭ３または均質向上モードＭ４であるときに、ノック判定部３０３Ｄによりノッキングの発生を抑制する噴射モードへの切換が必要であると判定されると、吸圧多段で燃料を噴射するノック抑制モードＭ５に噴射モードを切り換える（図７）。これにより点火時期のリタード量を抑えながら、ノッキングの発生を効果的に抑制することができる。

以上のように構成された内燃機関の制御装置のうち、図４の均質向上モードＭ４とノック抑制モードＭ５との切換に係る構成についてさらに詳しく説明する。噴射モードは、均質向上モードＭ４においてノック抑制条件が成立すると、ノック抑制モードＭ５に切り換わる。ノック抑制条件には、出力トルクが最大となる最適点火時期ＭＢＴからの点火時期のリタード量が所定値（所定の切換リタード量）に達したことが含まれる。まず、この点について説明する。リタード量Ｒは、ノッキングの発生の抑制の程度、すなわちノック抑制度を表すパラメータであり、リタード量Ｒをノック抑制度に置き換えることができる。

図８は、吸入空気量が一定の状態で、点火時期を通常点火時期からリタードした場合における出力トルクの変化を示す図であり、横軸は点火時期（角度）、縦軸は出力トルクである。なお、通常点火時期は、ノッキングの発生が問題とならない運転状態における点火時期であり、図８では、通常点火時期が圧縮上死点前ＢＴＤＣの最適点火時期ＭＢＴである。図８に示すように、出力トルクＴは、点火時期が最適点火時期ＭＢＴのときに最大であり（点Ｐ０）、点火時期が遅角してリタード量Ｒが増加するに従い、点Ｐ０を頂点とする略放物線状の特性ｆ０に沿って低下する。一例を挙げると、最適点火時期ＭＢＴからのリタード量ＲがＲａ（例えば５°）である点Ｐａでは、出力トルクＴがΔＴａだけ減少する。なお、Ｒａは、後述の切換リタード量に相当する。

図３の点火制御部３０４は、目標点火時期に対応する最適点火時期ＭＢＴからのリタード量（目標リタード量）Ｒを算出する遅角算出部を有する。目標リタード量は、例えばクランク角センサ３１により検出されたエンジン回転数と吸気量センサ３４により検出された吸入空気量とに応じて算出される。すなわち、メモリには、予めエンジン回転数と吸入空気量とに応じた目標リタード量の関係が定められている。この関係は、例えばエンジン回転数が低く、かつ、吸入空気量が多いほど目標リタード量が大きくなるような関係である。点火制御部３０４は、この関係を用いてノッキングを抑制するための目標リタード量を算出するとともに、点火時期が最適点火時期ＭＢＴから目標リタード量だけリタードするように点火プラグ１１を制御する。点火時期のリタードは、高筒内温度状態である図４の均質向上モードＭ４とノック抑制モードＭ５の双方で行われる。

図９Ａは、吸入空気量Ｇの変化に対応する、均質向上モードＭ４の出力トルクＴ１およびノック抑制モードＭ５の出力トルクＴ２の特性ｆ１１，ｆ１２と、出力トルクＴ１，Ｔ２の差、すなわちトルク差ΔＴ（＝Ｔ２－Ｔ１）を表す特性ｆ１３と、出力トルクＴ１の正味燃料消費率ＢＳＦＣ１およびノック抑制モードＭ５の正味燃料消費率ＢＳＦＣ２の特性ｆ１４、ｆ１５と、正味燃料消費率ＢＳＦＣ１とＢＳＦＣ２との差、すなわちΔＢＳＦＣ（＝ＢＳＦＣ２－ＢＳＦＣ１）を表す特性ｆ１６と、均質向上モードＭ４のリタード量Ｒ１およびノック抑制モードＭ５のリタード量Ｒ２の特性ｆ１７、ｆ１８と、をそれぞれ示す。なお、リタード量Ｒは、最適点火時期ＭＢＴを０としたリタード量である。

図９Ａは、エンジン１の所定の運転状態（第１運転状態）における特性の一例を示す図である。第１運転状態は、エンジン回転数が第１回転数（例えば２０００ｒｐｍ）であり、オクタン価が第１所定値（例えば９１）の燃料を用い、かつ内部ＥＧＲによる排気ガスの再循環がある運転状態である。なお、図９Ａでは、均質向上モードＭ４に対応する特性ｆ１１、ｆ１５、ｆ１７をそれぞれ実線で示し、ノック抑制モードＭ５に対応する特性ｆ１２、ｆ１４、ｆ１８をそれぞれ点線で示す。

図９Ａに示すように、出力トルクＴは、吸入空気量Ｇの増加に伴い増加するが、吸入空気量Ｇが少ない低負荷領域では、均質向上モードＭ４の出力トルクＴ１（実線）の方がノック抑制モードＭ５の出力トルクＴ２（点線）よりも大きい（特性ｆ１１、ｆ１２）。吸入空気量Ｇが増加すると、それに伴いノック抑制モードＭ５の出力トルクＴ２の方が均質向上モードＭ４の出力トルクＴ４よりも大きくなる。したがって、トルク差ΔＴは、ハッチングで示す吸入空気量の所定領域ΔＧａを境にしてマイナスからプラスになる（特性ｆ１３）。

さらに、所定領域ΔＧａよりも吸入空気量Ｇが少ない領域では、均質向上モードＭ４の正味燃料消費率ＢＳＦＣ１（実線）の方がノック抑制モードＭ５の正味燃料消費率ＢＳＦＣ２（点線）よりも小さく、所定領域ΔＧａよりも吸入空気量Ｇが多い領域では、ノック抑制モードＭ５の正味燃料消費率ＢＳＦＣ２の方が均質向上モードＭ４の正味燃料消費率ＢＳＦＣ１よりも小さい（特性ｆ１４、ｆ１５）。したがって、ΔＢＳＦＣは、所定領域ΔＧａを境にしてプラスからマイナスになる（特性ｆ１６）。この場合、所定領域ΔＧａにおける均質向上モードＭ４の目標リタード量Ｒ１（実線）は、ハッチングで示す所定領域ΔＲａの範囲内（例えば－５°近傍）にある。

図９Ｂ、図９Ｃおよび図９Ｄは、それぞれ第１運転状態とは異なる運転状態、すなわち第２運転状態、第３運転状態および第４運転状態における特性の一例を示す図である。これらの図では、図９Ａと同様に、エンジン１の出力トルクＴ、トルク差ΔＴ、正味燃料消費率ＢＳＦＣ、ΔＢＳＦＣおよびリタード量Ｒをそれぞれ示す。なお、図９Ｂ，図９Ｃおよび図９Ｄでは、図９Ａの特性ｆ１１～ｆ１８に対応して各特性を、特性ｆ２１～ｆ２８、特性ｆ３１～ｆ３８および特性ｆ４１～ｆ４８でそれぞれ示す。

第２運転状態は、エンジン回転数が第１回転数（例えば２０００ｒｐｍ）であり、オクタン価が第１所定値（例えば９１）の燃料を用い、かつ内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとによる排気ガスの再循環がない運転状態である。第３運転状態は、エンジン回転数が第１回転数（例えば２０００ｒｐｍ）であり、オクタン価が第１所定値（例えば９１）の燃料を用い、かつ外部ＥＧＲによる排気ガスの再循環がある運転状態である。第４運転状態は、エンジン回転数が第１回転数（例えば２０００ｒｐｍ）であり、オクタン価が第２所定値（例えば９５）の燃料を用い、かつ内部ＥＧＲによる排気ガスの再循環がある運転状態である。

図９Ｂ、図９Ｃおよび図９Ｄには、均質向上モードＭ４の出力トルクＴ１（実線）とノック抑制モードＭ５の出力トルクＴ２（点線）との大小が逆転する領域、換言すると、トルク差ΔＴが０近傍であり、ΔＢＳＦＣが０近傍である吸入空気量の領域ΔＧｂ、ΔＧｃおよびΔＧｄをそれぞれハッチングで示す。さらに、図９Ｂ、図９Ｃおよび図９Ｄには、図９Ａの領域ΔＧａを併せてハッチングで示す。図９Ａ～図９Ｄに示すように、吸入空気量Ｇの増加に伴いトルク差ΔＴはマイナスからプラスになり（特性ｆ１３、ｆ２３、ｆ３３、ｆ４３）、ΔＢＳＦＣはプラスからマイナスになる（特性ｆ１６、ｆ２６、ｆ３６、ｆ４６）。したがって、運転状態に応じたこれらの領域（切換領域と呼ぶ）ΔＧａ、ΔＧｂ、ΔＧｃおよびΔＧｄを求めた上で、各切換領域ΔＧａ、ΔＧｂ、ΔＧｃおよびΔＧｄで、噴射モードを均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５に切り換えれば、燃焼効率を高めることができる。

しかし、切換領域ΔＧａ、ΔＧｂ、ΔＧｃおよびΔＧｄは、ＥＧＲの有無や方式、燃料のオクタン価等によって変化する。また、図示は省略するが、エンジン回転数や冷却水温等によっても、切換領域ΔＧａ、ΔＧｂ、ΔＧｃおよびΔＧｄは変化する。したがって、切換領域ΔＧａ、ΔＧｂ、ΔＧｃおよびΔＧｄを求めるためには、吸入空気量、エンジン回転数、冷却水温、ＥＧＲの有無や方式および燃料のオクタン価等、出力トルクＴやＢＳＦＣ等に影響を及ぼす種々の要因の相互関係を予め定めた多次元化マップを、エンジン１の機種毎に準備しておく必要があり、切換領域ΔＧａ、ΔＧｂ、ΔＧｃおよびΔＧｄを容易に求めることができない。

一方、図９Ａ～図９Ｄに示すように、切換領域ΔＧａ、ΔＧｂ、ΔＧｃおよびΔＧｄにおける均質向上モードＭ４でのリタード量（実線）は、いずれもハッチングで示す所定領域ΔＲａ（例えば図８の点Ｐａ近傍の領域）に含まれる。したがって、リタード量Ｒが所定領域ΔＲａであるか否かを判定することにより、切換領域ΔＧａ、ΔＧｂ、ΔＧｃおよびΔＧｄを求めることができ、均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５への切換を良好なタイミングで行うことができる。

図１０Ａ～図１０Ｄは、それぞれ第１運転状態～第４運転状態とは異なる運転状態、すなわち第５運転状態、第６運転状態、第７運転状態および第８運転状態における特性の一例を示す図である。図１０Ａ～図１０Ｄには、エンジン１のトルク差ΔＴの特性ｆ５３、ｆ６３、ｆ７３、ｆ８３、ΔＢＳＦＣの特性ｆ５６、ｆ６６、ｆ７６、ｆ８６、およびリタード量Ｒの特性ｆ５７，ｆ５８、ｆ６７，ｆ６８、ｆ７７，ｆ７８、ｆ８７，ｆ８８をそれぞれ示す。

第５運転状態は、例えばエンジン回転数が第２回転数（例えば１２００ｒｐｍ）であり、オクタン価が第１所定値（例えば９１）の燃料を用い、かつ内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとによる排気ガスの再循環がない運転状態である。第６運転状態は、例えばエンジン回転数が第２回転数（例えば１２００ｒｐｍ）であり、オクタン価が第１所定値（例えば９１）の燃料を用い、かつ内部ＥＧＲによる排気ガスの再循環がある運転状態である。第７運転状態は、例えばエンジン回転数が第３回転数（例えば３０００ｒｐｍ）であり、オクタン価が第１所定値（例えば９１）の燃料を用い、かつ内部ＥＧＲと外部ＥＧＲによる排気ガスの再循環がない運転状態である。第８運転状態は、例えばエンジン回転数が第３回転数（例えば３０００ｒｐｍ）であり、オクタン価が第１所定値（例えば９１）の燃料を用い、かつ内部ＥＧＲによる排気ガスの再循環がある運転状態である。

図１０Ａ～図１０Ｄには、トルク差ΔＴがマイナスからプラスおよびΔＢＳＦＣがプラスからマイナスになる吸入空気量Ｇの領域（切換領域）ΔＧｅ、ΔＧｆ、ΔＧｇおよびΔＧｈをそれぞれハッチングで示す。図１０Ａ～図１０Ｄに示すように、吸入空気量ΔＧの切換領域ΔＧｅ、ΔＧｆ、ΔＧｇおよびΔＧｈは、互いに異なる。一方、切換領域ΔＧａ、ΔＧｂ、ΔＧｃおよびΔＧｄにおける均質向上モードＭ４のリタード量（実線）Ｒは、いずれもハッチングで示す所定領域ΔＲａに含まれる。したがって、この場合も、リタード量Ｒが所定領域ΔＲａであるか否かを判定することにより、均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５への切換を良好なタイミングで行うことができる。

以上より、本実施形態では、予め所定領域ΔＲａ内に、均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５に噴射モードを切り換えるための切換リタード量Ｒａを設定し、メモリに記憶する。そして、図３の点火制御部３０４により制御される点火時期のリタード量Ｒが切換リタード量Ｒａに達すると、インジェクタ制御部３０５が噴射モードを均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５に切り換える。噴射モードの切換にあたっては、点火時期のリタード量Ｒだけでなく、冷却水温とエンジン回転数とを考慮する。

図１１は、エンジン冷却水温ＴＷと正味燃料消費率ＢＳＦＣとの関係を示す図である。図中の特性ｆ９１，ｆ９２は、それぞれ所定の吸入空気量Ｇ１の下での均質向上モードＭ４およびノック抑制モードＭ５におけるＢＳＦＣの特性であり、特性ｆ９３，ｆ９４は、それぞれ吸入空気量Ｇ１よりも多い所定の吸入空気量Ｇ２（＞Ｇ１）の下での均質向上モードＭ４およびノック抑制モードＭ５におけるＢＳＦＣの特性である。

図１１に示すように、冷却水温ＴＷが低い領域では、吸入空気量がＧ１，Ｇ２いずれであっても、均質向上モードＭ４のＢＳＦＣ（実線）の方がノック抑制モードＭ５のＢＳＦＣよりも小さい。一方、冷却水温ＴＷがハッチングで示す所定領域ΔＴＷａ（例えば６０℃近傍）以上では、吸入空気量がＧ１，Ｇ２いずれであっても、均質向上モードＭ４のＢＳＦＣ（実線）よりもノック抑制モードＭ５のＢＳＦＣ（点線）の方が小さくなる。この点を考慮し、本実施形態では、冷却水温ＴＷが所定値ＴＷ１（例えば６０℃）以上であることが、ノック抑制条件に含まれる。所定値ＴＷ１は、予め実験等により求められ、メモリに記憶される。

図１２は、吸入空気量Ｇとリタード量Ｒとの関係を示す図である。図中の特性ｆ９５，ｆ９６は、所定エンジン回転数Ｎｅ１（例えば２０００ｒｐｍ）の下での均質向上モードＭ４およびノック抑制モードＭ５におけるリタード量Ｒの特性であり、特性ｆ９７，ｆ９８は、Ｎｅ１よりも高い所定エンジン回転数Ｎｅ２（例えば４０００ｒｐｍ）の下での均質向上モードＭ４およびノック抑制モードＭ５におけるリタード量Ｒの特性である。

図１２に示すように、エンジン回転数がＮｅ１のときは、吸入空気量Ｇの増加に伴う均質向上モードＭ４のリタード量Ｒとノック抑制モードＭ５のリタード量Ｒとの差が大きい。したがって、均質向上モードＭ４（実線）からノック抑制モードＭ５（点線）に切り換えることで、リタード量Ｒの増加を抑えることができ、燃焼効率を高めることが可能となる。一方、エンジン回転数がＮｅ２のときは、エンジン回転数の上昇により混合気の流動が強化され、ノック抑制モードＭ５において圧縮行程で噴射することによる筒内温度の低減効果が低下する。このため、均質向上モードＭ４とノック抑制モードＭ５とのリタード量Ｒの差が小さく、均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５に切り換えても、燃焼効率を高める効果が得られない。この点を考慮し、本実施形態では、エンジン回転数が所定値Ｎｅ３以下であることが、ノック抑制条件に追加される。所定値Ｎｅ３は、Ｎｅ１よりも大きくかつＮｅ２よりも小さい値であり、予め実験等により求められてメモリに記憶される。

図１３は、均質向上モードＭ４とノック抑制モードＭ５との切換に係る処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、図７のステップＳ１０～ステップＳ１２の処理を、より詳細に示したものであり、図７のステップＳ９で高筒内温度モードＭ７に切り換えられると開始される。

図１３に示すように、まず、ステップＳ２１で、クランク角センサ３１により検出されたエンジン回転数Ｎｅと吸気量センサ３４により検出された吸入空気量とに基づいて、均質向上モードＭ４における最適点火時期ＭＢＴからの目標点火時期のリタード量、すなわち目標リタード量を算出する。なお、目標リタード量は、実際の噴射モードが均質向上モードＭ４であるか否かに拘わらず、均質向上モードＭ４を前提として算出される。ステップＳ２１では、ノック抑制モードＭ５における目標リタード量も同時に算出される。

次いで、ステップＳ２２で、クランク角センサ３１により検出されたエンジン回転数Ｎｅが、予めメモリに記憶された所定値Ｎｅ３以下であるか否かを判定する。ステップＳ２２で肯定されるとステップＳ２３に進み、水温センサ３３により検出された冷却水温ＴＷが、予めメモリに記憶された所定値ＴＷ１以上であるか否かを判定する。ステップＳ２３で肯定されるとステップＳ２４に進み、ステップＳ２１で算出された均質向上モードＭ４における目標リタード量が、予めメモリに記憶された切換リタード量Ｒａに達したか否かを判定する。

ステップＳ２２～ステップＳ２４の判定はノック抑制条件に相当する。ステップＳ２４で肯定されると、すなわちステップＳ２２～ステップＳ２４の全てで肯定されると、ノック抑制条件が成立したと判定し、ステップＳ２５に進む。ステップＳ２５では、現在の噴射モードが均質向上モードＭ４であるか否かを判定する。ステップＳ２５で肯定されるとステップＳ２６に進み、否定されると処理を終了する。ステップＳ２６では、図７のステップＳ１１と同様、噴射モードを均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５に切り換えて処理を終了する。

一方、ステップＳ２２～ステップＳ２４のいずれかが否定されると、ノック抑制条件が不成立と判定され、ステップＳ２７に進む。ステップＳ２７では、現在の噴射モードがノック抑制モードＭ５であるか否かを判定する。ステップＳ２７で肯定されるとステップＳ２８に進み、否定されると処理を終了する。ステップＳ２８では、クランク角センサ３１により検出されたエンジン回転数Ｎｅが所定値Ｎｅ３より大きいか否かを判定する。ステップＳ２８で否定されるとステップＳ２９に進み、肯定されるとステップＳ２９をパスしてステップＳ３０に進む。

ステップＳ２９では、ステップＳ２４と同様、ステップＳ２１で算出された均質向上モードＭ４における目標リタード量が切換リタード量Ｒａに達したか否かを判定する。ステップＳ２９で肯定されるとステップＳ３０に進み、否定されると処理を終了する。ステップＳ３０では、図７のステップＳ１２と同様、噴射モードをノック抑制モードＭ５から均質向上モードＭ４に切り換えて処理を終了する。

以上の均質向上モードＭ４とノック抑制モードＭ５との切換に係る動作を、より具体的に説明する。図１４は、均質向上モードＭ４とノック抑制モードＭ５との切換に係る動作の一例を示すタイムチャートである。図１４では、エンジン回転数Ｎｅと、吸入空気量Ｇと、リタード量Ｒと、吸気行程から圧縮行程にかけての１回目の噴射量Ｑａと、吸気行程から圧縮行程にかけての２回目の噴射量Ｑｂとの、それぞれの時間経過ｔに伴う変化を示す。なお、図１４では、実際の点火時期のリタード量Ｒを実線で、均質向上モードＭ４での目標リタード量を点線で示す。

図１４では、エンジン回転数が、所定値Ｎｅ３よりも低い一定回転数である。なお、図示は省略するが、冷却水温ＴＷは所定値ＴＷ１以上である。図１４の初期状態では、噴射モードが均質向上モードＭ４であり、１回目噴射量Ｑａと２回目噴射量Ｑｂは、ともに最小噴射量Ｑｍｉｎよりも多い。図１４に示すように、時間経過に伴い吸入空気量Ｇが増加すると、燃料噴射量Ｑａ，Ｑｂが徐々に増加し、点火時期のリタード量Ｒも徐々に増大する。

時点ｔ１で、リタード量Ｒが切換リタード量Ｒａに到達すると、噴射モードが均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５に切り換わる（ステップＳ２６）。これにより吸気行程で１回目噴射が、圧縮行程で２回目噴射が行われるとともに、圧縮行程における噴射量（２回目噴射量Ｑｂ）が最小噴射量Ｑｍｉｎとなる。ノック抑制モードＭ５では、点火時期のリタード量がノック抑制モードＭ５の目標リタード量となるように点火プラグ１１が制御される。このとき、均質向上モードＭ４の目標リタード量（点線）が継続して算出される（ステップＳ２１）。噴射モードがノック抑制モードＭ５に切り換えられることで、点火時期のリタード量Ｒが抑えられ、燃焼効率が高まる。

その後、時点ｔ２で、吸入空気量Ｇが減少してリタード量が切換リタード量Ｒａより小さくなっても、均質向上モードＭ４の目標リタード量（点線）が切換リタード量Ｒａ以下にならない限り、噴射モードはノック抑制モードＭ５のままである。時点ｔ３で、均質向上モードＭ４の目標リタード量が切換リタード量Ｒａ以下になると、噴射モードがノック抑制モードＭ５から均質向上モードＭ４に切り換えられる（ステップＳ３０）。

このとき、噴射モードの切換直前のリタード量（実線）は、最適点火時期ＭＢＴに近い。図８に示すように、点火時期が最適点火時期ＭＢＴに近い領域では、点火時期の変化に対する出力トルクＴの変動量が小さい。よって、ノック抑制モードＭ５の目標リタード量が切換リタード量Ｒａ以下になることではなく、均質向上モードＭ４の目標リタード量が切換リタード量Ｒａ以下になることを条件として噴射モードを切り換えることで、噴射モードの切換時のトルクの変動を抑えることができる。

図１５は、時間経過に伴う、冷却水温ＴＷと、吸入空気量Ｇと、リタード量Ｒと、１回目噴射量Ｑａと、２回目噴射量Ｑｂの変化の一例を示すタイムチャートである。図１５では、初期時点で均質向上モードＭ４において、吸気単発で燃料が噴射され、２回目噴射量Ｑｂは０である。初期時点では、点火時期のリタード量Ｒが切換リタード量Ｒａよりも大きいが、冷却水温ＴＷが所定値ＴＷ１以下であるため、噴射モードは均質向上モードＭ４のままである。

その後、冷却水温ＴＷが上昇して、時点ｔ４で冷却水温ＴＷが所定値ＴＷ１以上になると、噴射モードがノック抑制モードＭ５に切り換わる（ステップＳ２６）。これにより、冷却水温ＴＷが低く、ノック抑制モードＭ５への切換による燃焼効率の改善効果が低い場合に、噴射モードが無駄に切り換えられることを防止できる。

図１６は、時間経過に伴う、エンジン回転数Ｎｅと、吸入空気量Ｇと、リタード量Ｒと、１回目噴射量Ｑａと、２回目噴射量Ｑｂの変化の一例を示すタイムチャートである。図１６では、初期時点では、エンジン回転数Ｎｅが所定値Ｎｅ３以下であり、ノック抑制モードＭ５において、吸気行程と圧縮行程とでそれぞれ燃料が噴射されている（ステップＳ２６）。

その後、エンジン回転数Ｎｅが徐々に増加し、時点ｔ５でエンジン回転数Ｎｅが所定値Ｎｅ３以上になると、噴射モードがノック抑制モードＭ５から均質向上モードＭ４に切り換わる（ステップＳ２８→ステップＳ３０）。これにより、エンジン回転数Ｎｅが低く、ノック抑制モードＭ５による燃焼効率の改善効果が低い場合に、噴射モードを早期に均質向上モードＭ４に復帰できる。

本実施形態では、ノック抑制モードＭ５において圧縮行程で２回目噴射量Ｑｂとして最小噴射量Ｑｍｉｎを噴射するが、インジェクタ１２の目標噴射量が減少して、圧縮行程で最小噴射量Ｑｍｉｎを噴射できない場合がある。つまり、インジェクタ制御部３０５は、各噴射モードにおける１回当たりの目標噴射量（１回目噴射量Ｑａ、２回目噴射量Ｑｂなどの単位噴射量）を算出する噴射量算出部を有するが、噴射量算出部により算出された圧縮行程における目標噴射量が最小噴射量Ｑｍｉｎ未満となる場合がある。この場合には、コントローラ３０（特に噴射モード切換部３０１）が以下のような処理を行う。

圧縮行程で最小噴射量Ｑｍｉｎを噴射できないとき、噴射モード切換部３０１は、図１３の処理に拘わらず、噴射モードを強制的に均質向上モードＭ４に、つまり吸気単発モードに切り換える。その後、目標噴射量が増加して圧縮行程で最小噴射量Ｑｍｉｎを噴射可能となっても、噴射モード切換部３０１は、ノック抑制モードＭ５への切換を即座に行わない。この場合、リタード量Ｒが一旦、最適点火時期ＭＢＴ付近に戻った後、目標リタード量が再度、切換リタード量Ｒａに到達すると、噴射モード切換部３０１が噴射モードをノック抑制モードＭ５に切り換える。

図１７は、この点の動作の一例を示すタイムチャートである。図１７では、時間経過に伴う、エンジン回転数Ｎｅと、吸入空気量Ｇと、リタード量Ｒと、１回目噴射量Ｑａと、２回目噴射量Ｑｂの変化の一例を示す。図１７では、初期時点で噴射モードがノック抑制モードＭ５であり、圧縮行程の噴射量（２回目噴射量）Ｑｂは最小噴射量Ｑｍｉｎである。その後、例えばパージ通路を介して燃料ガスが吸気系に導かれることにより、吸気行程の噴射量（１回目噴射量）Ｑａが減少し、時点ｔ６で噴射量Ｑａが最小噴射量Ｑｍｉｎ以下になると、噴射モードが均質向上モードＭ４（吸気単発）に強制的に切り換わる。これにより、インジェクタ１２は目標噴射量を噴射することができる。

その後、エンジン回転数Ｎｅが一定状態で、吸入空気量Ｇが減少するとリタード量Ｒが減少するが、リタード量Ｒが切換リタード量Ｒａ以下になっても、噴射モードは均質向上モードＭ４のままである。時点ｔ７で、目標噴射量が増加すると、吸気単発から吸気２段に噴射モードが切り換わる。時点ｔ８で、目標リタード量が切換リタード量Ｒａに達すると、噴射モードがノック抑制モードＭ５に切り換わる。これにより、圧縮行程で最小噴射量Ｑｍｉｎの燃料が噴射される。図１７では、点火時期が最適点火時期ＭＢＴ付近に戻った後に、ノック抑制モードＭ５に切り換えられるため（時点ｔ８）、噴射モードの切換時のトルク変動を抑えることができる。

図１７は、ノック抑制モードＭ５で１回目噴射量Ｑａが最小噴射量Ｑｍｉｎとなって、２回目噴射量Ｑｂが０になったときの動作である。一方、均質向上モードＭ４において、そもそも２回目噴射量Ｑｂが０である場合には、噴射モード切換部３０１は、ノック抑制条件が成立しても、噴射モードをノック抑制モードＭ５に切り換えずに均質向上モードＭ４（吸気単発）に維持する。この場合、目標噴射量が増加して圧縮行程で最小噴射量Ｑｍｉｎが噴射可能になれば、その時点でノック抑制条件が成立していると、噴射モードを即座にノック抑制モードＭ５に切り換える。

図１８は、この点の動作の一例を示すフローチャートである。図１８では、時間経過に伴う、エンジン回転数Ｎｅと、吸入空気量Ｇと、リタード量Ｒと、１回目噴射量Ｑａと、２回目噴射量Ｑｂの変化の一例を示す。図１８では、初期時点で噴射モードが均質向上モードＭ４（吸気単発）であり、圧縮行程の噴射量（２回目噴射量）Ｑｂは０である。エンジン回転数Ｎｅが一定状態で、吸入空気量Ｇの増加に伴いリタード量Ｒが増加して、時点ｔ９で、リタード量Ｒが切換リタード量Ｒａ以上になると、ノック抑制条件が成立する。但し、ノック抑制条件が成立しても、目標噴射量が、圧縮行程で最小噴射量Ｑｍｉｎを噴射可能な噴射量となっていなければ、噴射モードは均質向上モードＭ４（吸気単発）のままである。

その後、時点ｔ１０で、目標噴射量が圧縮行程で最小噴射量Ｑｍｉｎを噴射可能な流量まで増加すると、噴射モードが即座にノック抑制モードＭ５に切り換わる。すなわち、この場合には、リタード量Ｒが最適点火時期ＭＢＴ付近まで減少することを待つことなく、噴射モードがノック抑制モードＭ５に切り換えられる。時点ｔ１１で、目標噴射量の減少により、圧縮行程で最小噴射量Ｑｍｉｎを噴射不能になると、噴射モードは再び均質向上モードＭ４（吸気単発）に切り換わる。

本実施形態によれば、上述したのに加え、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）本実施形態に係る内燃機関の制御装置は、シリンダ１０２の内部を往復動するピストン１０３と、ピストン１０３に面したシリンダ１０２内の燃焼室１０５に燃料を噴射するインジェクタ１２と、燃焼室１０５における空気と燃料との混合気を点火する点火プラグ１１と、を有するエンジン１を制御するように構成される（図２）。この制御装置は、吸気行程と圧縮行程とを含む範囲内、特に吸気行程で燃料を噴射する均質向上モードＭ４と、吸気行程と圧縮行程とを含む範囲内で、特に圧縮行程での燃料噴射を含むノック抑制モードＭ５と、の間で噴射モードを切り換える噴射モード切換部３０１と、ノッキングの発生を抑制するための点火時期のリタード量Ｒに応じた定まるノック抑制度を算出する点火制御部３０４（ノック抑制度算出部）と、点火制御部３０４により算出されたノック抑制度に基づいて、均質向上モードＭ４とノック抑制モードＭ５との間の噴射モードの切換の要否を判定するノック判定部３０３Ｄと、を備える（図３、６）。このようにノック抑制度に基づいて噴射モードの切換の要否を判定するので、ノッキングの発生に影響を与える環境条件や燃料のオクタン価等の種々の要因を考慮することなく、噴射モードの切換の要否を簡易かつ良好に判定することができる。

（２）ノック抑制度算出部は、噴射モード切換部３０１により均質向上モードＭ４に切り換えられた状態で、出力トルクが最大となる最適点火時期ＭＢＴよりも遅角された、エンジン１のノッキングの発生を抑制するための目標点火時期の最適点火時期ＭＢＴからのリタード量Ｒ（目標リタード量）を算出する点火制御部３０４（遅角算出部）であり、ノック判定部３０３Ｄは、点火制御部３０４により算出された目標リタード量に基づいて、均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５への切換の要否を判定する（図３、６）。これにより、ノッキングの発生に影響を与える環境条件や燃料のオクタン価等の種々の要因を考慮することなく、均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５への噴射モードの切換の要否を簡易かつ良好に判定することができる。

（３）ノック判定部３０３Ｄは、点火制御部３０４（遅角算出部）により算出された目標リタード量が切換リタード量Ｒａに達すると、均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５への切換が必要であると判定する。噴射モード切換部３０１は、ノック判定部３０３Ｄにより均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５への切換が必要であると判定されると、噴射モードを均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５へ切り換える（図１３）。これにより、均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５に適切なタイミングで切り換えることができ、燃焼効率を効果的に高めることができる。

（４）点火制御部３０４（遅角算出部）は、噴射モード切換部３０１により均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５に切り換えられた後、均質向上モードＭ４が継続したと仮定したときの目標点火時期の最適点火時期ＭＢＴからの目標リタード量を算出する（図１３）。ノック判定部３０３Ｄは、遅角算出部により算出された目標リタード量に基づいて、ノック抑制モードＭ５から均質向上モードＭ４への切換の要否をさらに判定する（図１３）。噴射モード切換部３０１は、均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５に噴射モードが切り換えられた後、ノック判定部３０３Ｄによりノック抑制モードＭ５から均質向上モードＭ４への切換が必要と判定されると、噴射モードをノック抑制モードＭ５から均質向上モードＭ４へ切り換える（図１４）。これにより、最適点火時期ＭＢＴの近傍で噴射モードをノック抑制モードＭ５から均質向上モードＭ４に切り換えることができ、噴射モードの切換時の出力トルクの変動を抑えることができる。

（５）均質向上モードＭ４は、吸気行程で燃料を噴射する噴射モードであり、ノック抑制モードＭ５は、吸気行程と圧縮行程とでそれぞれ燃料を噴射する噴射モードであり、ノック抑制モードＭ５の圧縮行程における噴射量（２回目噴射量Ｑｂ）は、ノック抑制モードＭ５の吸気行程における噴射量（１回目噴射量Ｑａ）よりも少ない（図１４）。これにより、吸気行程でより多くの燃料が噴射されるため、燃焼室１０５内で均一な混合気を生成しやすい。なお、均質向上モードＭ４が、吸気行程から圧縮行程にかけてあるいは圧縮行程で燃料を噴射する噴射モードであってもよい。

（６）内燃機関の制御装置は、ノック抑制モードＭ５の吸気行程および圧縮行程における目標噴射量をそれぞれ算出するインジェクタ制御部３０５（噴射量算出部）をさらに備える（図３）。噴射モード切換部３０１は、噴射量算出部により算出された圧縮行程における目標噴射量が、インジェクタ１２が１回に噴射可能な最小噴射量Ｑｍｉｎ以下になると、噴射モードをノック抑制モードＭ５から均質向上モードＭ４に切り換える（図１７）。これにより、目標噴射量が少なくなった場合であっても、安定的な燃焼を継続することができる。

（７）ノック判定部３０３Ｄは、噴射モード切換部３０１により噴射モードがノック抑制モードＭ５から均質向上モードＭ４に切り換えられた後、点火制御部３０４（遅角算出部）により算出された目標リタード量が切換リタード量Ｒａよりも小さくなり、その後、切換リタード量Ｒａに達すると、均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５への切換が必要であると判定する（図１７）。これにより最適点火時期ＭＢＴの近傍で噴射モードを均質向上モードＭ４からノック抑制モードＭ５へ切り換えることができ、出力トルクの変動を抑えることができる。

次に、図４の噴射モードのうち、付着低減モードＭ３の内容についてさらに詳しく説明する。上述したように、付着低減モードＭ３では、予め定められた図５のマップに従いインジェクタ１２が燃料を噴射するように、インジェクタ制御部３０５（図３）がインジェクタ１２に制御信号を出力する。図１９は、インジェクタ制御部３０５の構成をより詳細に示すブロック図である。

図１９に示すように、インジェクタ制御部３０５は、１サイクル当たりのインジェクタ１２の噴射回数を設定する回数設定部３０５Ａと、１サイクルで複数回の噴射を行う場合において噴射間隔を設定する間隔設定部３０５Ｂとを有する。付着低減モードＭ３では、低筒内温度状態におけるピストン冠面１０３ａやシリンダ１０２の内壁面等への燃料の付着を抑制するため、予め定められた噴射可能範囲で燃料が噴射される。

図２０は、付着低減モードＭ３におけるインジェクタ１２の噴射パターンの一例を、エンジン回転数Ｎｅと出力トルクとに対応付けて、複数の噴射モデルＭ３１～Ｍ３４によって示す図である。図中の特性ｆ１は、最大出力トルクの特性である。図２０には、噴射回数が１回の噴射モデルＭ３１，Ｍ３２と噴射回数が４回の噴射モデルＭ３３，Ｍ３４とが一例として示される。噴射モデルＭ３２は噴射モデルＭ３１よりもエンジン回転数Ｎｅが高い場合の噴射モデルであり、噴射モデルＭ３４は噴射モデルＭ３３よりもエンジン回転数Ｎｅが高い場合の噴射モデルである。

なお、噴射回数が４回のときのエンジン回転数Ｎｅは所定値Ｎ１（例えば３０００ｒｐｍ）以下であり（図５参照）、噴射モデルＭ３４に対応するエンジン回転数Ｎｅは例えば所定値Ｎ１である。低トルクの噴射モデルＭ３１，Ｍ３２は噴射回数が１回であり、高トルクの噴射モデルＭ３３，Ｍ３４は噴射回数が４回である（図５参照）。すなわち、図２０は、図５の噴射回数が１回および４回のモデルを、それぞれエンジン回転数Ｎｅに応じて２つに分けて示したものである。

図２０では、吸気行程の開始（吸気上死点ＴＤＣ）から圧縮行程の終了（圧縮上死点ＴＤＣ）までの全体区間（＝３６０°）内のクランク角を、吸気上死点ＴＤＣを起点とした時計周りの円の角度θによって示すとともに、燃料噴射のタイミングを、円の中心から放射状に延びる扇形のハッチングによって示す。図２０に示すように、吸気上死点ＴＤＣから圧縮上死点ＴＤＣまでの全体区間内には、燃料噴射を禁止する禁止エリアＡＲ１１が設定され、全体区間から禁止エリアＡＲ１１を除いたエリアＡＲ１２が噴射可能エリアとなる。

禁止エリアＡＲ１１は、噴射モデルＭ３１の吸気上死点ＴＤＣ～クランク角θ１１およびクランク角θ１２～圧縮上死点ＴＤＣの範囲、噴射モデルＭ３２の吸気上死点ＴＤＣ～クランク角θ２１およびクランク角θ２２～圧縮上死点ＴＤＣの範囲、噴射モデルＭ３３の吸気上死点ＴＤＣ～クランク角θ３１およびクランク角θ３２～圧縮上死点ＴＤＣの範囲、および噴射モデルＭ３４の吸気上死点ＴＤＣ～クランク角θ４１およびクランク角θ４２～圧縮上死点ＴＤＣの範囲にそれぞれ設定される。

図２１は、禁止エリアＡＲ１１と噴射可能エリアＡＲ１２との区別を示す図である。なお、図中のクランク角θａは、図２０のクランク角θ１１、θ２１、θ３１、θ４１に対応し、クランク角θｂは、クランク角θ１２、θ２２、θ３２、θ４２に対応する。図２１では、吸気上死点ＴＤＣからクランク角θａまでの範囲をΔθａで、クランク角θｂから圧縮上死点ＴＤＣまでの範囲をΔθｂで表す。図２１に示すように、禁止エリアＡＲ１１は、吸気上死点ＴＤＣからΔθａだけクランク角θが増加した第１禁止エリアＡＲ１１ａと、圧縮上死点ＴＤＣからΔθｂだけクランク角θが減少した第２禁止エリアＡＲ１１ｂとを含む。

図２２は、インジェクタ１２の燃料噴射の動作を模式的に示す図である。図２２に示すように、ピストン冠面１０３ａへの燃料の付着を防止するための条件は、ピストン１０３が吸気上死点ＴＤＣ（点線）から矢印Ａ方向に所定量以上下降していること、すなわちインジェクタ１２からの噴霧が到達しない第１所定距離までインジェクタ１２からピストン１０３が退避していることである。この第１所定距離は、エンジン回転数Ｎｅが高いほど、ピストン１０３の下降速度（上死点ＴＤＣからの退避速度）が速くなるため、短い値に設定できる。

したがって、図２０に示すように、エンジン回転数Ｎｅが高回転側のクランク角θ２１、θ４１は、低回転側のクランク角θ１１、θ３１よりも小さい値に設定される。なお、噴射モデルＭ３１，Ｍ３３のエンジン回転数が互いに同一である場合、および噴射モデルＭ３２，Ｍ３４のエンジン回転数が互いに同一である場合、禁止エリアＡＲ１１を規定するクランク角θ１１とθ３１およびクランク角θ２１とθ４１は、それぞれ互いに等しい値に設定される。禁止エリアＡＲ１１１を規定するクランク角θ１１，θ２１，θ３１，θ４１を、それぞれ吸気行程前半で設定するとともに、低回転側のクランク角θ１１，θ３１を高回転側のクランク角θ２１，θ４１よりも大きい値に設定してもよい。

ピストン冠面１０３ａへの燃料の付着を防止するためのもう１つの条件は、ピストン１０３が矢印Ｂ方向に上昇して圧縮上死点ＴＤＣに向かうときの圧縮上死点ＴＤＣからの距離が所定量以上であること、すなわちインジェクタ１２からの噴霧が到達しない第２所定距離以上、圧縮上死点ＴＤＣからピストン１０３が離れていることである。この第２所定距離は、エンジン回転数Ｎｅが低いほど、ピストン１０３の上昇速度（上死点ＴＤＣへの接近速度）が遅くなるため、短い値に設定できる。

したがって、エンジン回転数Ｎｅが低回転側のクランク角θ１２、θ３２は、高回転側のクランク角θ２２、θ４２よりも大きい値に設定される。なお、噴射モデルＭ３１，Ｍ３３のエンジン回転数が互いに同一である場合、および噴射モデルＭ３２，Ｍ３４のエンジン回転数が互いに同一である場合、禁止エリアＡＲ１１を規定するクランク角θ１２とθ３２およびクランク角θ２２とθ４２は、それぞれ互いに等しい値に設定される。以上をまとめると、エンジン回転数の増加に伴い、禁止エリアＡＲ１１を規定する吸気行程側および圧縮行程側のクランク角は、それぞれ吸気上死点ＴＤＣ側にシフトして設定される（クランク角θ１１，θ３１→θ２１，θ４１、クランク角θ１２，θ３２→θ２２，θ４２）。

図２３は、燃料噴射タイミングと煤の付着量との関係を示す図である。横軸は吸気上死点（吸気ＴＤＣ）から圧縮上死点（圧縮ＴＤＣ）までの燃料噴射時期の変化を示す。なお、ＢＤＣは下死点である。特性ｇ１（点線）は、エンジン回転数が低い領域での煤の付着量を表す特性であり、特性ｇ２（実線）は、エンジン回転数が高い領域での付着量を表す特性である。図２３に示すように、燃料噴射時期が吸気上死点および圧縮上死点に近づくほど、煤の付着量が増大する。また、エンジン回転数が高いほど、煤の付着量の特性が矢印に示すように吸気上死点側にシフトする。なお、図２３において、煤の付着量が最小となるのは、吸気上死点ＴＤＣと下死点ＢＤＣとのほぼ中間および圧縮上死点と下死点とのほぼ中間の領域であり、その領域からクランク角が吸気上死点ＴＤＣ側および圧縮上死点ＴＤＣ側にずれると、煤の付着量が急激に増大する。

以上のピストン冠面１０３ａへの燃料の付着を規制するクランク角θ１１，θ１２、θ２１，θ２２、θ３１，θ３２およびθ４１，θ４２は、予め実験等により求められ、メモリに記憶される。回数設定部３０５Ａは、これらのクランク角によって規定される噴射可能エリアＡＲ１２内で、予め定められた図５の特性に従い、エンジン回転数Ｎｅと目標噴射量Ｑまたは吸入空気量Ｇとに応じて、１回～４回の範囲で噴射回数を設定する。

この場合、図２１に示すように、禁止エリアＡＲ１に所定クランク角Δθ１、Δθ２を加算して、禁止エリアＡＲ１にマージンを設定し、噴射可能エリアＡＲ１２をその分だけ狭める。これにより、部品の個体差による寸法のばらつきや取付位置のばらつきがあってもピストン冠面１０３ａ等への煤の付着を確実に防止することができる。なお、所定クランク角Δθ１は、エンジン回転数Ｎｅが高いほど小さい値に設定され、所定クランク角Δθ２は、エンジン回転数Ｎｅが高いほど大きい値に設定される。

図１９のインジェクタ制御部３０５は、クランク角センサ３１により検出されたクランク角θが、クランク角θ１１、θ２１、θ３１、θ４１に所定クランク角Δθ１を加算した目標クランク角になると、インジェクタ１２に制御信号を出力して１回目の噴射を開始する。そして、回数設定部３０５Ａにより設定された噴射回数が複数回（例えば４回）の場合には、１回目の噴射終了後に所定の時間間隔Δｔを空けて、２回目の噴射を開始する。

１回目噴射終了から２回目噴射開始、２回目噴射終了から３回目噴射開始、および３回目噴射終了から４回目噴射開始の時間間隔Δｔは、互いに等しい。この時間間隔Δｔは、エンジン回転数Ｎｅに拘わらず一定である。したがって、図２０の噴射モデルＭ３３とＭ３４とを比較すると、噴射モデルＭ３４の４回目噴射終了時点のクランク角θは、噴射モデルＭ３３の４回目噴射終了時点のクランク角θよりも大きい。

時間間隔Δｔは、図１９の間隔設定部３０５Ｂにより、所定条件を満たすように設定される。図２４は、インジェクタ１２から所定量の燃料を分割噴射したとき、例えば噴射回数が２回のときの、１回目噴射終了から２回目噴射開始までの時間間隔Δｔと、２回目噴射の噴霧長さＬとの関係を示す図である。この関係は、実験や解析によって得られる。噴霧長さＬとは、図２２に示すように、インジェクタ１２の先端から噴霧の先端までの長さ（噴霧先端の到達距離）、すなわちペネトレーションであり、図２４では、単発噴射時の噴霧長さがＬ１で示される。なお、単発噴射時の１回当たりの噴射量は、分割噴射時の１回当たりの噴射量よりも多く、噴射回数が２回のときの倍の噴射量である。すなわち、図２４は、分割噴射の各回の噴射量を加算した１サイクル当たりの全体の噴射量と、単発噴射の１サイクル当たりの噴射量とが等しい条件の下での、時間間隔Δｔと噴霧長さＬとの関係を示す。

図２４に示すように、分割噴射時の噴霧長さＬは、時間間隔がΔｔ１（例えば０．５ミリ秒）のときにＬ１であり、時間間隔がΔｔ１以上の範囲では、時間間隔の増加に伴い急激に減少する。そして、時間間隔がΔｔ２（例えば０．８ミリ秒）、Δｔ３（例えば１．５ミリ秒）、Δｔ４（例えば２．０ミリ秒）およびΔｔ５（例えば２．５ミリ秒）において、噴霧長さＬはいずれもＬ２（＜Ｌ１）である。なお、Ｌ２はＬ１の例えば５０％以下である。時間間隔Δｔが短いとき、すなわちΔｔ２未満の領域ＡＲ１０で噴霧長さが長くなるのは、直前の噴射により生じたスリップストリームの効果が原因である。より具体的には、時間間隔がΔｔ２のときは、燃料と周囲空気との運動量交換の機会が増加して、噴霧先端到達距離（噴霧長さＬ）が短くなる。一方、時間間隔がΔ２未満のとき（領域ＡＲ１０）、前回噴射した噴霧に今回噴射した噴霧が追い付いて、運動量交換の機会が減少して、噴霧先端到達距離が延びる。したがって、時間間隔をΔｔ２以上に設定すれば、噴霧長さＬをＬ１からＬ２に短くすることができ、これによりピストン冠面１０３ａへの煤の付着を抑制することができる。

但し、時間間隔Δｔが長すぎると、例えば４回噴射における１回目の噴射開始時点のクランク角θおよび４回目の噴射終了時点のクランク角θが、図２１の禁止エリアＡＲ１１ａ，ＡＲ１１ｂに入り、ピストン冠面１０３ａに煤が付着するおそれがある。また、４回目の噴射終了時点が遅いと、空気との混合が不十分になり、燃焼が不安定となるおそれがある。より具体的には、時間間隔がΔｔ４より長い領域ＡＲ２０で、このような問題が生じる。そこで、時間間隔Δｔの最長時間Δｔ４（例えば２．０ミリ秒）を設定し、間隔設定部３０５Ｂは、Δｔ２以上かつΔｔ４以下の範囲内で複数回の噴射を行う場合の目標時間間隔Δｔａを設定する（Δｔ２≦Δｔａ≦ｔ４）。

すなわち、噴霧長さＬが単発噴射時の噴霧長さＬ１よりも短く、かつ、時間間隔Δｔの変化に対し噴霧長さが一定（Ｌ２）となるような時間間隔Δｔであり、煤の付着を抑えるような時間間隔Δｔを、目標時間間隔Δｔａとして設定する。この目標時間間隔Δｔａは予めメモリに記憶される。インジェクタ制御部３０５は、複数回噴射の時間間隔Δｔが目標時間間隔Δｔａとなるようにインジェクタ１２に制御信号を出力し、噴射タイミングを制御する。これにより噴霧長さＬが低減され、ピストン冠面１０３ａ等への煤の付着を効果的に抑えることができる。

図２５は、付着低減モードＭ３においてインジェクタ制御部３０５で実行される処理の一例をフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、付着低減モードＭ３に切り換わると開始され、付着低減モードＭ３が継続される限り、所定周期で繰り返される。

図２５に示すように、まず、ステップＳ３１で、クランク角センサ３１、吸気量センサ３４およびＡＦセンサ３５等からの信号を読み込む。次いで、ステップＳ３２で、吸気量センサ３４とＡＦセンサ３５からの信号に基づいて、実空燃比が理論空燃比となるような目標噴射量を算出する。次いで、ステップＳ３３で、クランク角センサ３１により検出されたエンジン回転数と吸気量センサ３４により検出された吸入空気量等に基づいて、図５のマップに従い、インジェクタ１２からの１サイクル当たりの噴射回数を設定する。噴射回数は、噴射許容エリアＡＲ１２内でその回数分の燃料を噴射可能となるように設定される。

次いで、ステップＳ３４で、ステップＳ３３で設定された噴射回数が複数回であるか否か、すなわち分割噴射（多段噴射）が必要か否かを判定する。ステップＳ３４で肯定されるとステップＳ３５に進み、図２４のΔｔ２～Δｔ４の範囲内で目標時間間隔Δｔａを設定する。例えば、予めメモリに記憶された所定の目標時間間隔Δｔａを設定する。なお、Δｔ２～Δｔ４の範囲で、エンジン回転数や吸入空気量、冷却水温等に応じて目標時間間隔Δｔａを設定してもよい。

次いで、ステップＳ３６で、１回当たりの目標噴射量（単位噴射量）を算出するとともに、噴射許容範囲ＡＲ１２内で、ステップＳ３３で設定された回数分だけ単位噴射量の燃料を噴射するように、インジェクタ１２に制御信号を出力する。例えば単発噴射時には、目標噴射量が単位噴射量となり、クランク角が図２１のθａにマージンとしての所定クランク角Δθ１を加算した値になると、目標噴射量の噴射を開始するようにインジェクタ１２に制御信号を出力する。１サイクルで２回から４回の噴射を行う分割噴射（多段噴射）時には、クランク角が図２１のθａにマージンとしての所定クランク角Δθ１を加算した値になると、単位噴射量の噴射を開始するとともに、噴射終了から次回の噴射までの間に目標時間間隔Δｔａのインターバルを空けるようにインジェクタ１２に制御信号を出力する。

本実施形態によればさらに以下のような作用効果を奏することができる。
（１）本実施形態に係る内燃機関の制御装置は、シリンダ１０２の内部を往復動するピストン１０３と、ピストン１０３に面したシリンダ１０２内の燃焼室１０５に燃料を噴射するインジェクタ１２と、を有するエンジン１を制御するように構成される（図２）。この制御装置は、吸気行程が開始される吸気上死点ＴＤＣから圧縮行程が終了する圧縮上死点ＴＤＣまでの範囲のうち、クランク角θが吸気上死点ＴＤＣから所定角Δθａだけ増加した第１禁止エリアＡＲ１１ａと圧縮上死点ＴＤＣから所定角Δθｂだけ減少した第２禁止エリアＡＲ１１ｂとを除く噴射可能エリアＡＲ１２内で燃料を噴射するようにインジェクタ１２を制御するインジェクタ制御部３０５を備える（図３，図２１）。インジェクタ制御部３０５は、噴射可能エリアＡＲ１２内でインジェクタ１２により噴射される燃料の噴射回数を設定する回数設定部３０５Ａを有する（図１９）。回数設定部３０５Ａは、１回から４回の範囲で噴射回数を設定する（図５，２０）。これにより、煤が付着しやすい運転状態では、噴射回数を４回まで増加することで、インジェクタ１２からの噴霧長さＬを低減することができ、ピストン冠面１０３ａ等への煤の付着を効果的に抑えることができる。

（２）内燃機関の制御装置は、エンジン１の出力トルクと相関関係を有する吸入空気量Ｇを検出する吸気量センサ３４をさらに備える（図３）。回数設定部３０５Ａは、吸気量センサ３４により検出された吸入空気量Ｇに応じた出力トルクの増加に伴い噴射回数が増加するように噴射回数を設定する（図５，２０）。これにより、煤の付着を低減しつつ、出力トルクを増大することができる。

（３）内燃機関の制御装置は、エンジン回転数Ｎｅを検出するクランク角センサ３１をさらに備える（図３）。回数設定部３０５Ａは、クランク角センサ３１により検出されたエンジン回転数Ｎｅの増加に伴い噴射回数が減少するように噴射回数を設定する（図５）。エンジン回転数Ｎｅが増加すると、噴射可能エリアＡＲ１２に対応する噴射時間が短くなり、燃料噴射の十分な時間間隔Δｔを設けることができなくなるが、噴射回数が減少することで、噴霧長さＬを抑えた十分な時間間隔Δｔを設けることができる。

（４）噴射可能エリアＡＲ１２は、クランク角センサ３１により検出されたエンジン回転数Ｎｅの増加に伴い第１禁止エリアＡＲ１１ａの範囲が減少かつ第２禁止エリアＡＲ１１ｂの範囲が増加するように設定される（図２１）。すなわち、クランク角θ２１、θ４１はクランク角θ１１、θ３１よりも小さく、かつ、クランク角θ２２、θ４２はクランク角θ１２、θ３２よりも小さく設定される（図２０）。エンジン回転数Ｎｅの増加に伴いピストン１０３がインジェクタ１２から退避する速度およびピストン１０３がインジェクタ１２に接近する速度が増加するが、上述のようにエンジン回転数Ｎｅに応じて禁止エリアＡＲ１１を設定することで、ピストン冠面１０３ａへの煤の付着を良好に抑えることができる。

（５）内燃機関の制御装置は、シリンダ１０２の内部の温度情報を取得する温度情報取得部３０２と、温度情報取得部３０２により取得された温度情報に基づいて、シリンダ１０２の内部の暖機が完了したか否か、すなわち高筒内温度状態となったか否かを判定する筒内温度判定部３０３Ｃと、をさらに備える（図３，６）。インジェクタ制御部３０５は、筒内温度判定部３０３Ｃによりシリンダ１０２の内部の暖機が完了されていないことを条件として、つまり付着低減モードＭ３において、噴射可能エリアＡＲ１２で回数設定部３０５Ａにより設定された回数だけ燃料を噴射するようにインジェクタ１２を制御する（図４）。噴射可能エリアＡＲ１２で最大４回の噴射を行うと、圧縮行程前半で噴射が行わるおそれがあるが（図２０の噴射モデルＭ３４）、煤の発生が問題となる運転状態のみで最大４回の噴射が行われるので、圧縮行程で噴射が行われる頻度が減少し、混合気の均質度が高まって燃焼効率を高めることができる。

（６）上記（１）～（５）とは別の観点として、内燃機関の制御装置は、吸気行程の開始から圧縮行程の終了までの範囲内で、所定の目標時間間隔Δｔａを空けて複数回、それぞれ等しい量の燃料を噴射するようにインジェクタ１２を制御するインジェクタ制御部３０５を備える（図３，図２１）。インジェクタ制御部３０５は、目標時間間隔Δｔａを設定する間隔設定部３０５Ｂを有する（図１９）。間隔設定部３０５Ｂは、インジェクタ１２から噴射される燃料の噴霧先端までの噴霧長さＬが単発噴射時の噴霧長さＬ１よりも短くなるように、例えば噴霧長さＬ１の５０％以下となるように目標時間間隔Δｔａを設定する。これにより、分割噴射により噴霧長さＬを良好に抑えることができ、ピストン冠面１０３ａへの煤の付着を低減することができる。

（７）間隔設定部３０５Ｂは、Δｔ２（例えば０．８ミリ秒）以上かつΔｔ４（例えば２．０ミリ秒）の範囲内で目標時間間隔Δｔａを設定する（図２４）。これにより噴霧長さがＬ２に抑えられるとともに、燃料噴射の禁止エリアＡＲ１１（図２１）で噴射されることが防止され、煤の付着を良好に抑えることができる。

（８）間隔設定部３０５Ｂは、回数設定部３０５Ａにより設定された噴射回数の燃料が噴射可能エリアＡＲ１２内でインジェクタ１２から噴射されるように目標時間間隔Δｔａを設定する。すなわち、Δｔ２～Δｔ４の範囲内で、噴射回数の要件を満たすように目標時間間隔Δｔａを設定する。これにより、インジェクタ１２からの１回当たりの噴射量を最小限に抑えながら、噴霧長さＬが短くなるような目標時間間隔Δｔａを設定するので、煤の付着を効果的に抑制できる。

（９）インジェクタ制御部３０５は、筒内温度判定部３０３Ｃによりシリンダ１０２の内部の暖機が完了されていないことを条件として、つまり付着低減モードＭ３において、目標時間間隔ｔａを空けて噴射可能エリアＡＲ１２で、回数設定部３０５Ａにより設定された複数回の燃料噴射を行うようにインジェクタ１２を制御する。これにより、目標時間間隔Δｔａを空けて複数回の燃料噴射を行う機会が制限され、燃焼効率の高いモードでの運転をできるだけ多く行うことができる。

図６の筒内温度判定部３０３Ｃの構成についてより詳細に説明する。図２６は、筒内温度判定部３０３Ｃの構成をより具体化した温度取得装置５０の要部構成を示すブロック図である。この温度取得装置５０は、コントローラ３０と各種センサにより構成される。すなわち、図２６に示すように、温度取得装置５０は、コントローラ３０に接続されたクランク角センサ３１と、水温センサ３３と、吸気量センサ３４とを有する。温度取得装置としてのコントローラ３０は、機能的構成として、温度域判定部５０１と、積算量算出部５０２と、閾値設定部５０３と、運転状態判定部５０４とを有する。

運転状態判定部５０４は、エンジン１の運転状態を判定する。具体的には、空気の吸入および燃料の噴射を行う通常モード、空気の吸入のみを行うＦ／Ｃモード、冷機状態から始動する冷機始動モード、空気の吸入および燃料の噴射を停止する稼働停止モード（ＥＶモードおよびＩ／Ｓモード）のいずれであるかを判定する。

温度域判定部５０１は、エンジン１の仕事量に基づいて、ピストン冠面１０３ａ（図２）の温度Ｔｐが所定温度Ｔｐ０（例えば１００℃）以上の高筒内温度状態であるか否かを判定する（筒内暖機判定）。ガソリンエンジンの場合、エンジン１の出力（仕事率）は、吸入空気量Ｇと相関関係を有し、エンジン１の仕事量（総仕事量）は、吸入空気量Ｇの積算量ΣＧと相関関係を有する。燃焼室１０５を構成するシリンダ１０２およびピストン１０３は、それぞれの材質および質量に応じた熱容量を有するため、これらの構成部材を昇温するには、それぞれの熱容量に応じた一定の熱量、すなわち、一定の仕事量が必要となる。

図２７は、ピストン冠面１０３ａの昇温について説明するための図であり、エンジン１を冷機状態から暖機するときに測定器を用いて測定される煤排出量の時間変化の一例を示す。図２７に示すピストン冠面１０３ａの温度Ｔｐは推定値であり、冷却水温ＴＷは水温センサ３３の検出値である。また、吸入空気量Ｇの積算量ΣＧは、吸気量センサ３４により検出された吸入空気量Ｇに基づいて積算量算出部５０２により算出された算出値である。

図２７に示すように、エンジン１の冷機状態では、ピストン冠面１０３ａおよびエンジン冷却水を含むエンジン１全体の温度は均一であり、エンジン１の冷機状態は、エンジン１の始動時の冷却水温ＴＷとして水温センサ３３により検出することができる。エンジン１の暖機中は、吸入空気量Ｇの積算量ΣＧ（燃焼により発生した熱量、仕事量）が増加し、ピストン冠面１０３ａの温度Ｔｐが上昇する。ピストン冠面１０３ａの温度Ｔｐが上昇すると、ピストン冠面１０３ａを含むエンジン１全体が燃焼室１０５側から徐々に暖機され、冷却水温ＴＷが上昇する。エンジン１が暖機されると、エンジン冷却水が不図示のラジエータを通過することで冷却水温ＴＷが所定温度ＴＷ０（例えば９０℃）以下に維持され、エンジン冷却水によりエンジン１が冷却される。

図２７に示すように、煤排出量は、時刻ｔ２１までは概ね一定であり、時刻ｔ２１において急激に低下して目標排出量を下回る。この点について説明すると、図２に示すように、インジェクタ１２から噴射された燃料は、ピストン冠面１０３ａ（凹部１０３ｂ）に付着する。このとき、ピストン冠面１０３ａの温度Ｔｐが所定温度Ｔｐ０（例えば１００℃）に達していると、付着した燃料が即座に蒸発するため、煤は発生しにくい。一方、ピストン冠面１０３ａの温度Ｔｐが所定温度Ｔｐ０に達していないと、付着した燃料が不完全燃焼するため、煤が発生しやすくなる。

図２７に示すような煤排出量の確認試験を行うことで、ピストン冠面１０３ａの温度Ｔｐがエンジン１の始動時の冷却水温ＴＷから所定温度Ｔｐ０に達するまでに必要となる吸入空気量Ｇの積算量（閾値）ΣＧ０を予め把握することができる。温度域判定部５０１は、吸入空気量Ｇの積算量ΣＧが閾値ΣＧ０以上であるか否かを判定し、閾値ΣＧ０以上であると判定されると、高筒内温度状態であると判定する。これにより、ピストン冠面１０３ａの温度Ｔｐをセンサにより直接検出することなく、ピストン冠面１０３ａの温度Ｔｐが所定温度Ｔｐ０に達したか否かを判定することができる。

図２７に示すような閾値ΣＧ０は、エンジン１の冷機状態によって、すなわち始動時の冷却水温ＴＷによって異なる。すなわち、高筒内温度状態に至るまでに必要となる吸入空気量Ｇの積算量ΣＧの閾値ΣＧ０は、エンジン１の始動時の冷却水温ＴＷが低いほど大きく、冷却水温ＴＷが高いほど小さくなる。このエンジン１の始動時の冷却水温ＴＷに対する閾値ΣＧ０の特性は、予めメモリに記憶される。閾値設定部５０３は、予めメモリに記憶された特性に従い閾値ΣＧ０を設定する。以上のようにして設定された閾値ΣＧ０と吸入空気量Ｇの積算量ΣＧとの大小を判定することにより、筒内温度判定部３０３Ｃ（温度取得装置５０）は、ピストン温度が低筒内温度であるか高筒内温度であるかを判定する。これによりコントローラ３０は、ピストン温度が低い領域と高い領域とで、それぞれに適した噴射モードに切り換えることができる。

なお、上記実施形態では、吸気行程が開始される吸気上死点ＴＤＣ（第１クランク角）から圧縮行程が終了する圧縮上死点ＴＤＣ（第２クランク角）までの範囲のうち、クランク角が第１クランク角から所定角Δθａ（所定増加角）だけ増加した第１禁止エリアＡＲ１１ａ（第１禁止範囲）と第２クランク角から所定角Δθｂ（所定減少角）だけ減少した第２禁止エリアＡＲ１１ｂ（第２禁止範囲）とを除く噴射可能エリアＡＲ１２内で燃料を噴射するように、インジェクタ制御部３０５（噴射制御部）がインジェクタ１２を制御するとともに、吸気行程の開始から圧縮行程の終了までの範囲内で、所定時間間隔（目標時間間隔Δｔａ）を空けて複数回、それぞれ等しい量の燃料を噴射するようにしたが、噴射制御部の構成は上述したものに限らない。

上記実施形態では、回数設定部３０５Ａがエンジン回転数Ｎｅと吸入空気量Ｇとに応じて１回から４回の範囲でインジェクタ１２からの燃料の噴射回数を設定するようにしたが、他のパラメータに基づいて噴射回数を設定してもよく、回数設定部の構成は上述したものに限らない。上記実施形態では、吸気量センサ３４からの信号に基づいてエンジン出力トルクを検出するようにしたが、燃料噴射量、排気量、スロットル開度、吸気圧、過給圧等に基づいてエンジン出力トルクを検出してもよい。すなわち、内燃機関の出力トルクと相関関係を有する物理量を検出するのであれば、トルク検出部の構成は上述したものに限らない。上記実施形態では、クランク角センサ３１によりエンジン回転数を検出するようにしたが、回転数検出部の構成は上述したものに限らない。

上記実施形態では、間隔設定部３０５Ｂがインジェクタ１２から噴射される燃料の噴霧先端までの噴霧長さＬが、吸気行程開始から圧縮行程終了までの範囲内で単発噴射を行うときの噴霧長さＬ１よりも例えば５０％以上短くなるように目標時間間隔Δｔａを設定するようにした。具体的には、０．８ミリ秒以上かつ２．０ミリ秒以下の範囲内で目標時間間隔Δｔａを設定するようにしたが、間隔設定部の構成は上述したものに限らない。上記実施形態では、燃料噴射部としてのインジェクタ１２をシリンダヘッド１０４に斜め下方に向けて取り付けるようにしたが、シリンダ内の燃焼室に燃料を噴射するのであれば、燃料噴射部の構成はいかなるものでもよい。

上記実施形態では、吸気量センサ３４からの信号に基づいて、シリンダ１０２内での煤の付着に影響を及ぼす筒内温度の情報を取得するようにしたが、シリンダ１０２の内部の温度情報、特にピストン冠面１０３ａと相関関係を有する温度情報を取得するのであれば、温度情報取得部の構成はいかなるものでもよい。上記実施形態では、温度情報取得部３０２により取得された温度情報に基づいて、筒内温度判定部３０３Ｃが、筒内温度が所定値以上であるか否かを判定するようにしたが、内燃機関が高筒内温度状態であるか否かを判定するのであれば、温度状態判定部の構成はいかなるものでもよい。上記実施形態では、シリンダ１０２の内部の暖機が完了されていないこと、すなわち低筒内温度であること（付着低減モードＭ３）を条件として回数設定部３０５Ａが１回から４回の範囲で噴射回数を設定するとともに、間隔設定部３０５Ｂが分割噴射の目標時間間隔Δｔａを設定するようにしたが、他のモードにおいても同様に噴射回数および目標時間間隔を設定するようにしてもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

１ エンジン、１２ インジェクタ、３１ クランク角センサ、３４ 吸気量センサ、１０２ シリンダ、１０３ ピストン、３０２ 温度情報取得部、３０３Ｃ 筒内温度判定部、３０５ インジェクタ制御部、３０５Ａ 回数設定部、３０５Ｂ 間隔設定部、Ｍ３ 付着低減モード

Claims (3)

1. シリンダの内部を往復動するピストンと、前記ピストンに面した前記シリンダ内の燃焼室に前記ピストンの冠面に向けて燃料を噴射する燃料噴射部と、を有する内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
   吸気行程の開始から圧縮行程の終了までの範囲内で、所定時間間隔を空けて複数回、燃料を噴射するように前記燃料噴射部を制御する噴射制御部と、
   ピストン冠面への燃料の付着を抑制するように予め定められた燃料噴射の禁止範囲であり、吸気行程が開始される第１クランク角から圧縮行程が終了する第２クランク角までの範囲のうち、クランク角が前記第１クランク角から所定増加角だけ増加した第１禁止範囲と前記第２クランク角から所定減少角だけクランク角が減少した第２禁止範囲とを含む禁止範囲を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記禁止範囲を除く噴射可能範囲内で前記燃料噴射部により噴射される燃料の噴射回数を設定する回数設定部と、を備え、
   前記噴射制御部は、前記回数設定部により設定された噴射回数の燃料が前記噴射可能範囲内で前記燃料噴射部から噴射されるように前記所定時間間隔を設定する間隔設定部を有し、
   前記間隔設定部は、前記燃料噴射部から噴射される燃料の噴霧先端までの噴霧長さが前記噴射可能範囲内で単発噴射を行うときの噴霧長さよりも所定割合以上短くなるように前記所定時間間隔を設定し、
   前記噴射制御部は、前記所定時間間隔を空けて前記噴射可能範囲で複数回燃料を噴射するように前記燃料噴射部を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記間隔設定部は、０．８ミリ秒以上かつ２．０ミリ秒以下の範囲内で前記所定時間間隔を設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の吸入空気量を取得する吸気量取得部と、
   前記吸気量取得部により取得された吸入空気量に基づいて、吸入空気量の積算量を算出する積算量算出部と、
   前記積算量算出部により算出された積算量に基づいて、前記内燃機関の内部の温度情報を取得する温度情報取得部と、
   前記温度情報取得部により取得された温度情報に基づいて、前記内燃機関が高筒内温度状態であるか否かを判定する温度状態判定部と、をさらに備え、
   前記噴射制御部は、前記温度状態判定部により高筒内温度状態でないと判定されることを条件として、前記所定時間間隔を空けて前記噴射可能範囲で複数回燃料を噴射するように前記燃料噴射部を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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