JPWO2018216151A1 - 内燃機関の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁から噴射された燃料に直接火花点火する点火プラグと、を備える内燃機関の制御方法は、機関始動時における機関回転速度の実際の変化の挙動である実挙動を、予め設定した基準挙動と比較し、実挙動が基準挙動と異なる場合に、燃料噴射弁から噴射されて点火プラグ周りに滞在する燃料噴霧に直接火花点火する成層燃焼から、燃焼室内に均質な混合気を形成して燃料を燃焼させる均質燃焼へ切り替えるとともに、内燃機関の機械的圧縮比を実挙動と基準挙動とが一致する場合よりも高める。

Description

本発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁から噴射された燃料に直接火花点火する点火プラグとを備える内燃機関の制御方法及び制御装置に関する。

内燃機関の冷間始動後に、点火プラグ周りに成層混合気を形成し、かつ点火時期を圧縮上死点以降まで遅角させて成層燃焼を行うファストアイドル制御が知られている。成層燃焼は、点火時期を大幅に遅角して排気温度を高めることができるため、排気触媒の早期活性化に有効である。

点火プラグ周りに成層混合気を形成する方法として、従来は、ピストンに設けたキャビティに燃料噴霧を反射させて点火プラグ周りに成層混合気を形成するウォールガイド式が主流であった。しかし、ウォールガイド式では衝突した燃料の一部がピストンの冠面に残留し易く、残留した燃料が燃焼して煤が生成されるおそれがある。このため、排気性能に対する要求がますます高まっている近年では、点火プラグ周りに向けて燃料を噴射して成層混合気を形成するスプレーガイド式が注目されている。

ただし、筒内に直接燃料を噴射する、いわゆる筒内直噴の内燃機関においては、燃料噴射弁の先端が燃焼室内に露出しており、筒内の燃焼の影響を受け易いため、経時変化等によって実際の噴霧パターンが設計時のパターン（以下、基準パターンともいう）からずれてしまう。ウォールガイド式においては、噴霧パターンに多少のずれが生じてもキャビティに衝突すれば燃料噴霧は点火プラグ周りに進むのに対し、スプレーガイド式においては、ウォールガイド式のような噴霧パターンのずれを修正する機能がない。このため、スプレーガイド式では、噴霧パターンが基準パターンからずれると、燃焼安定性を確保することが困難になる。

この問題を解決するための制御として、ＪＰ ２００１−１５２９３１ Ａ１には、特定の条件が成立した場合には成層燃焼を禁止して、均質燃焼に切り替える制御が開示されている。

ところで、均質燃焼の場合には、点火時期を成層燃焼の場合のように大幅に遅角すると燃焼安定度を確保できないので、成層燃焼の場合に比べて点火時期の遅角量が制限されてしまう。すなわち、均質燃焼の場合には成層燃焼の場合に比べると排気温度を高めることができない。このため、上記文献のように成層燃焼から均質燃焼に切り替えると、排気触媒の活性化が遅れることによって排気性能が悪化することとなる。しかしながら、上記文献では、均質燃焼に切り替えることによる排気性能の悪化を抑制する方策がとられていない。

そこで本発明では、ファストアイドル制御において成層燃焼を禁止して均質燃焼を行う場合でも、排気性能の悪化を抑制することを目的とする。

本発明のある態様によれば、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁から噴射された燃料に直接火花点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、機関始動時における機関回転速度の実際の変化の挙動である実挙動を、予め設定した基準挙動と比較する。そして、実挙動が基準挙動と異なる場合に、燃料噴射弁から噴射されて点火プラグ周りに滞在する燃料噴霧に直接火花点火する成層燃焼から、燃焼室内に均質な混合気を形成して燃料を燃焼させる均質燃焼へ切り替えるとともに、内燃機関の機械的圧縮比を実挙動と基準挙動とが一致する場合よりも高める。

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、プラグ近傍における流動付与の説明図である。 図３は、燃料噴射弁の噴射形態を示す図である。 図４は、噴霧ビームについて説明するための図である。 図５は、点火プラグと燃料噴射弁の配置を示す図である。 図６は、放電領域と噴霧ビームとの関係を示す図である。 図７は、縮流について説明する為の図である。 図８は、筒内に生ずるタンブル流動の説明図である。 図９は、圧縮行程中におけるタンブル流動の説明図である。 図１０は、点火プラグ周辺の乱流強度の変化を示す図である。 図１１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１２Ａ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１２Ｂ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、コントローラが実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１６は、可変圧縮比機構の一例を示す図である。 図１７は、図１６の制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

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に接続されるコントローラ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に接続されるコントローラ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、制御部としてのコントローラ５０が火花点火時期を制御する。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、制御部としてのコントローラ５０が燃料噴射タイミングを制御する。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、図示しないクランク角センサと筒内圧センサが設けられる。クランク角センサは、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。なお、内燃機関１０は機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えており、コントローラ５０はこの可変圧縮比機構の制御も行う。可変圧縮比機構の詳細については後述する。

図２は、点火プラグ１１と燃料噴射弁１２との位置関係を説明するための図である。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り、これ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、流動の付与については後述する。

図３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４は図３の円Ａを含む平面を図３の矢印IV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４に示すように等間隔で円環状に並ぶ。

図５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６は、図５を矢印VI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６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５を矢印VI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６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。

図７は、噴霧ビームＢ１−Ｂ６と点火プラグ１１とが図５及び図６に示す位置関係にある場合の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、噴霧ビームＢ２と噴霧ビームＢ３とが図７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との間に非常に強い乱れが生じるので、点火プラグ１１の周辺における乱流強度が増大する。

ここで、タンブル流動の強度の変化について説明する。

図８は、筒内に生ずるタンブル流動の説明図である。図９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８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９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９）、やがて崩壊する。

したがって、点火プラグ１１周りに成層混合気を形成し、かつ点火時期を圧縮上死点以降まで遅角させる成層ファストアイドル制御（以下、成層ＦＩＲ制御ともいう）を実行する場合には、プラグ点火時において点火プラグ１１周りの流動が弱まっている。このため、点火プラグ１１の電極１１ａ、１１ｂの間に生ずるアーク（以下、プラグ放電チャンネルＣＮともいう）が十分に伸長せず、失火やパーシャルバーンを起こし易くなる。

そこで本実施形態では、燃料噴射することで点火プラグ１１周りの乱流強度が増大する特性を利用し、タンブル流動が崩壊した後にプラグ放電チャンネルＣＮが伸長する状況を作り出すこととする。

図１０は、圧縮上死点後に燃料噴射を行った場合の点火プラグ１１周りの乱流強度の変化を示すタイミングチャートである。図１０の横軸はクランク角度、縦軸は点火プラグ１１周りの乱流強度を示している。上述した通りタンブル流動の強度は徐々に低下するので、これに伴い点火プラグ１１周りの乱流強度も低下する。しかし、圧縮上死点後に燃料噴射を行うと、燃料噴射後の所定期間は乱流強度が高まる。この、燃料噴射により乱流強度が増大している期間中が、プラグ放電チャンネルＣＮが伸長しやすい状況である。特に、乱流強度がピークとなるタイミングが点火時期として適している。

図１１は、プラグ放電チャンネルＣＮの説明図である。図１１には、点火プラグ１１の中心電極１１ａと外側電極１１ｂ、及び伸長し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。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１１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。

図１２Ａ、図１２Ｂ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パターンの例を示す図である。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１２Ａ）、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１２Ｂ）。

ところで、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１２は、燃焼火炎や燃焼ガスに晒されるので、噴孔周辺にいわゆるデポジットが堆積し易い。そして、デポジットが燃料噴霧の進路を塞ぐと、例えば図１３に示すように、噴霧ビームの形状や進行方向といった噴霧パターンが、燃料噴射により点火プラグ１１周りの流動強度を高めることために設定した基準パターンからずれてしまう。その結果、燃料噴射をしても点火プラグ１１周りの流動強度が高まらずに、成層ＦＩＲ制御中の燃焼安定度が低下するおそれがある。

また、燃焼安定度が低下することで、成層ＦＩＲ制御中の排気温度が目標排気温度に達しないおそれもある。ここで、燃焼安定度と排気温度との関係について説明する。

図１４は、燃焼安定度と排気温度との関係を説明するための図である。図１４の横軸は燃焼重心の位置[ｄｅｇ．ＣＡ]である。図中の「燃焼安定限界」は、騒音や振動が乗員の許容し得る上限値となる場合の燃焼安定度である。図中の目標排気温度は、成層ＦＩＲ制御中の排気温度の目標値であり、排気触媒４４、４５の早期活性化等の観点から設定される値である。図中の実線Ａは、上述した基準パターンの場合を示し、実線Ｂは基準パターンからずれた場合を示している。

図１４に示す通り、排気温度は燃焼重心が遅角側になるほど高くなることが知られている。一方、燃焼安定度は、燃焼重心が遅角側になるほど低下する。基準パターン（実線Ａ）では、上述したプラグ放電チャンネルＣＮの伸長により、より遅角側まで燃焼安定度を確保できる。そして、燃焼安定限界となった場合に、排気温度は目標排気温度以上である。

これに対し、基準パターンからずれると、燃焼安定限界が基準パターンに比べて進角側になる。このため、燃焼安定度が例えば実線Ｂのような特性になった場合には、燃焼安定限界における排気温度が目標排気温度より低くなってしまう。

そこで、成層ＦＩＲ制御では燃焼安定度を確保できない場合には、何らかの対策をとる必要がある。例えば、ＦＩＲ制御として、燃焼室内に均質な混合気を形成して燃料を燃焼させる制御（以下、均質ＦＩＲ制御ともいう）に切り替えることが考えられる。しかし、均質燃焼の場合には、点火時期を成層燃焼の場合のように大幅に遅角すると燃焼安定度が低下してしまう。このため、単に均質ＦＩＲ制御に切り替えるだけでは、排気温度を十分に高めることができず、排気性能の悪化を招くおそれがある。

そこで本実施形態では、燃焼安定度を確保しつつ排気性能の悪化を抑制するために、コントローラ５０が以下に説明する制御を行う。

なお、発明者らは、成層ＦＩＲ制御で燃焼安定度を確保できなくなる主たる原因を、上述したデポジットの堆積による燃料噴霧パターンの変化と考えているが、他にも原因がある可能性を否定しているわけではない。

図１５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はこの制御ルーチンを実行するようプログラムされている。本ルーチンは、内燃機関１０の冷機始動時に実行される。以下、ステップにしたがって説明する。

ステップＳ１００で、コントローラ５０は、クランク角センサの検出値を用いて内燃機関１０が燃焼開始した後の機関回転速度の上昇の傾きであるｄＲ／ｄｔを算出する。

ステップＳ１１０で、コントローラ５０はステップＳ１００で取得したｄＲ／ｄｔが基準挙動としての閾値Ｘより大きいか否かを判定する。デポジットの堆積により噴霧パターンが変化すると、デポジットが堆積していない場合に比べて燃焼安定度が低下するため、初爆の遅れや出力低下が生じ、その結果、機関回転速度の上昇が緩慢になる。そこでステップＳ１１０では、ｄＲ／ｄｔを用いて燃料噴射弁１２の先端にデポジットが堆積しているか否かを判定する。閾値Ｘは、燃料噴射弁１２にデポジットが堆積していない状態における、燃焼開始後の機関回転速度の上昇の傾きよりも所定量だけ小さい値である。所定量だけ小さい値を用いるのは、燃焼安定度が燃焼安定限界になったときの排気温度が目標排気温度以上であれば、燃焼安定度の低下は許容し得るからである。したがって、所定量は、デポジットの堆積による燃焼安定度の変化の特性に基づいて定まる。なお、デポジットが堆積しているか否かの判定に用いるパラメータは、ｄＲ／ｄｔに限られるわけではない。ｄＲ／ｄｔ以外のパラメータについては後述する。

コントローラ５０は、ステップＳ１１０においてｄＲ／ｄｔが閾値Ｘより大きいと判定したら、ステップＳ１２０の処理を実行し、ｄＲ／ｄｔが閾値Ｘ以下と判定したら、ステップＳ１３０の処理を実行する。

ステップＳ１２０で、コントローラ５０は通常のＦＩＲ制御を実行する。ここでいう通常のＦＩＲ制御とは、後述する付着物除去制御を実行しない成層ＦＩＲ制御のことである。なお、クランキング開始から本ステップの処理を実行するまでは、始動用の成層燃焼制御が実行されている。始動用の成層燃焼制御は、点火時期を遅角しない点が成層ＦＩＲ制御と異なる。

コントローラ５０は、ステップＳ１３０において付着物除去制御の開始を決定し、ステップＳ１４０において、燃料噴射圧力の目標値（以下、目標燃圧ともいう）を、付着物除去制御を実行しない場合に比べて増大させる。目標燃圧を増大させるのは、燃料噴射弁１２の噴孔近傍の燃料流速を高め、これによりデポジットを吹き飛ばすためである。なお、増大後の目標燃圧は、例えば、燃料噴射ポンプ１５で実現可能な最大燃圧でもよいし、実験等により求めた、デポジットを吹き飛ばすことができる燃圧でもよい。

ステップＳ１５０で、コントローラ５０は内燃機関１０の機械的圧縮比を上昇させ、かつ始動用の成層燃焼制御から均質ＦＩＲ制御に切り替える。

ここで、機械的圧縮比の上昇について説明する。

機械的圧縮比は、可変圧縮比機構を用いて変更する。可変圧縮比機構は公知のものを使用すればよい。ここでは公知の可変圧縮比機構の一例を説明する。

図１６は、ピストン２５とクランクシャフト３０とを複数のリンクで連結することによって、ピストン２５の上死点位置を可変に制御可能にした可変圧縮比機構である。

ピストン２５は、アッパーリンク２６及びロアリンク２７を介してクランクシャフト３０に連結されている。アッパーリンク２６の一端はピストン２５に回転自在に連結され、他端はロアリンク２７に回転自在に連結されている。ロアリンク２７は、アッパーリンク２６との連結部とは異なる部位においてクランクシャフト３０のクランクピン３０Ａに回転自在に連結されている。また、ロアリンク２７には、コントロールリンク２８の一端が回転自在に連結されている。コントロールリンク２８の他端はコントロールシャフト２９の回転中心からずれた位置に連結されている。

上記のような構成の可変圧縮比機構では、コントロールシャフト２９を図示しないアクチュエータ等により回転させることによって、機械的圧縮比を変化させることができる。例えば、コントロールシャフト２９を図中反時計回り方向に所定角度回転させると、ロアリンク２７は、コントロールリンク２８を介してクランクピン３０Ａを中心として図中反時計周り方向に回転する。その結果、ピストン２５の上死点位置が上昇し、機械的圧縮比が上昇する。これとは反対に、コントロールシャフト２９を図中時計周り方向に所定角度回転させると、ロアリンク２７は、コントロールリンク２８を介してクランクピン３０Ａを中心として図中時計周り方向に回転する。その結果、ピストン２５の上死点位置は下降し、機械的圧縮比が低下する。

フローチャートの説明に戻る。

ステップＳ１５０において均質ＦＩＲ制御に切り替えるのは、デポジットの堆積によって燃料噴霧のパターンが変化しても、均質燃焼であれば燃焼安定度を確保できるからである。ただし、均質燃焼の場合は、燃焼安定度を確保し得る点火時期の遅角量が成層燃焼の場合に比べて小さいので、均質ＦＩＲ制御に切り替えると成層ＦＩＲ制御に比べて排気温度が低くなる。このため、排気触媒が活性化するまでの時間が長くなり、結果的に排気性能が低下する。一方、機械的圧縮比を上昇させると燃焼安定度を確保し易くなるので、点火時期をより遅角することができる。そこで、均質ＦＩＲ制御に切り替えるとともに機械的圧縮比を上昇させることにより、燃焼安定度と十分な点火時期遅角量とを確保して、排気性能の低下を抑制する。

ステップＳ１６０で、コントローラ５０は所定時間が経過したか否かを判断し、経過したらステップＳ１７０の処理を実行する。ここでの所定時間は、燃圧を上昇させた状態でデポジットが吹き飛ばされるまでに要する時間を予め実験等により求め、これに基づいて設定した時間であり、例えば数秒程度とする。

ステップＳ１７０で、コントローラ５０は燃圧及び機械的圧縮比を低下させ、かつ、成層ＦＩＲ制御に切り替える。そして、ステップＳ１８０でコントローラ５０は、燃焼安定度が目標値より小さいか否か、つまり燃焼安定度が確保されているか否かを判定する。燃焼安定度が確保されている場合はそのまま本ルーチンを終了し、確保されていない場合はステップＳ１３０の処理に戻る。

上記のように、デポジットの堆積により成層ＦＩＲ制御では燃焼安定度が確保できない場合には、コントローラ５０は均質ＦＩＲ制御への切り替え及び機械的圧縮比の上昇を行うことで燃焼安定度と排気性能を確保しつつ付着物除去制御を実行する。そして、所定時間が経過したら、付着物除去制御を終了し、機械的圧縮比を低下させ、成層ＦＩＲ制御に戻してから、燃焼安定度が確保されているか否かを確認する。ここで燃焼安定度が確保されていなければ再び均質ＦＩＲ制御へ切り替え、機械的圧縮比を上昇させて、付着物除去制御を実行する。

図１７は、上記の制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。

図中の破線はデポジットが付着していない状態（以下、正常状態ともいう）を示し、実線はデポジットが付着した状態（以下、劣化状態ともいう）を示している。

タイミングＴ０で機関始動が決定されてクランキングが開始されると、機関回転速度Ｒは所定回転速度まで上昇し、その回転速度を維持する。そして、タイミングＴ１において燃焼が始まり、機関回転速度Ｒは再び上昇し始める。また、機関回転速度の上昇に伴い、内燃機関１０により駆動される燃料噴射ポンプ１５の回転速度も上昇するので、燃圧が上昇する。

機関回転速度Ｒは、正常状態でも劣化状態でも燃焼の開始に伴い上昇し、一端オーバーシュートしたあとアイドル回転速度に収束する。上述したｄＲ／ｄｔは、タイミングＴ１からタイミングＴ２までの回転速度の上昇の傾きである。上述した通り劣化状態では正常状態に比べて上昇の傾きが小さい。なお、タイミングＴ１からタイミングＴ２までの時間は任意に設定して構わない。例えば、正常状態において機関回転速度Ｒが１０００［ｒｐｍ］に到達するまでの時間を予め測定しておき、当該時間を設定する。

タイミングＴ２でコントローラ５０はｄＲ／ｄｔを算出し、正常状態か劣化状態かを判定する。正常状態であれば、コントローラ５０は燃焼状態を始動用の成層燃焼制御から成層ＦＩＲ制御に切り替え、機械的圧縮比を始動用の値から成層ＦＩＲ制御用の値に低下させる。これに対し、劣化状態であれば、コントローラ５０は、タイミングＴ３において燃焼状態を始動用の成層燃焼制御から均質ＦＩＲ制御に切り替え、機械的圧縮比を始動用の値から均質ＦＩＲ制御用の値に上昇させ、さらに付着物除去制御のために燃圧を上昇させる。これにより、劣化状態であっても正常状態と同様の燃焼安定度が確保されている。

なお、タイミングＴ３は、劣化状態における機関回転速度Ｒが、タイミングＴ２における正常状態の機関回転速度Ｒになるタイミングである。これは、機関回転速度が十分に上昇していない状態で始動用の成層燃焼制御を終了すると、燃焼安定度を確保できないからである。

均質ＦＩＲ制御に切り替えてから所定時間が経過したタイミングＴ４で、燃焼状態を成層ＦＩＲ制御に切り替え、かつ、機械的圧縮比及び燃圧を成層ＦＩＲ制御用の値まで低下させる。そして、タイミングＴ５において、コントローラ５０は燃焼安定度が確保されているか否かを判定する。付着物除去制御によってデポジットが除去されれば、当該判定で燃焼安定度が確保されているとの判定結果になり、コントローラ５０はそのまま成層ＦＩＲ制御を継続する。一方、デポジットが除去されていなければ、図１７に示すように燃焼安定度が低下する。この場合には、コントローラ５０は再び均質ＦＩＲ制御に切り替え、機械的圧縮比及び燃圧を上昇させる。

以上のように本実施形態では、機関始動時における機関回転速度の実際の変化の挙動である実挙動を、予め設定した基準挙動と比較する。そして、実挙動が基準挙動と異なる場合に、燃料噴射弁１２から噴射されて点火プラグ１１周りに滞在する燃料噴霧に直接火花点火する成層燃焼から、燃焼室内に均質な混合気を形成して燃料を燃焼させる均質燃焼へ切り替えるとともに、内燃機関１０の機械的圧縮比を実挙動と基準挙動とが一致する場合よりも高める。均質燃焼に切り替えることにより、成層燃焼では燃焼安定度が確保できない状況において、燃焼安定度を確保することができ、さらに、機械的圧縮比を上昇させることで十分な点火時期遅角量を確保することが可能となるので、排気性能の低下を抑制することができる。

本実施形態では、比較する機関回転速度の挙動を、内燃機関が燃焼を開始した後の機関回転速度の上昇の傾きとする。燃料噴射弁１２の先端にデポジットが堆積している場合は、始動時に所望の成層混合気を形成できず、燃焼が緩慢になるので、機関回転速度の上昇が正常状態に比べて遅れる。本実施形態では、この特性を利用してデポジットの堆積の有無を的確に判定することができる。

本実施形態では、燃焼の切り替えを行うとともに、燃料噴射弁１２の先端に付着した付着物を除去するための付着物除去制御を実行する。これにより、燃焼安定度を改善することができる。

本実施形態における付着物除去制御は、実挙動と基準挙動とが一致している場合に比べて燃料噴射圧力を高くする制御である。高燃圧で燃料を噴射することによって付着物を吹き飛ばすので、内燃機関１０の運転を止めることなく、かつ新たな装置を追加することなく、燃焼安定度を改善することができる。

本実施形態では、付着物除去制御を所定期間実行したら、均質燃焼から成層燃焼へ切り替える。すなわち、付着物が除去された後は、圧縮比を低下させて正常状態と同様の成層ＦＩＲ制御に戻す。これにより、正常状態と同様の排気性能を得ることができる。

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。

図６は、図５を矢印ＶＩ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６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５を矢印ＶＩ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６と対称になり、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。

Claims (6)

1. 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁から噴射された燃料に直接火花点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、
   機関始動時における機関回転速度の実際の変化の挙動である実挙動を、予め設定した基準挙動と比較し、
   前記実挙動が前記基準挙動と異なる場合に、
   前記燃料噴射弁から噴射されて前記点火プラグの周りに滞在する燃料噴霧に直接火花点火する成層燃焼から、燃焼室内に均質な混合気を形成して燃料を燃焼させる均質燃焼へ切り替えるとともに、前記内燃機関の機械的圧縮比を前記実挙動と前記基準挙動とが一致する場合よりも高める、
   内燃機関の制御方法。
2. 請求項１に記載された内燃機関の制御方法において、
   前記挙動は、内燃機関が燃焼を開始した後の前記機関回転速度の上昇の傾きである、
   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、
   燃焼の切り替えを行うとともに、前記燃料噴射弁の先端に付着した付着物を除去するための付着物除去制御を実行する、
   内燃機関の制御方法。
4. 請求項３に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記付着物除去制御は、前記実挙動と前記基準挙動とが一致している場合に比べて燃料噴射圧力を高くする制御である、
   内燃機関の制御方法。
5. 請求項３または４に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記付着物除去制御を所定期間実行したら、前記均質燃焼から前記成層燃焼へ切り替える、
   内燃機関の制御方法。
6. 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁から噴射された燃料に直接火花点火する点火プラグと、
   機関回転速度を取得するセンサと、
   機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
   前記燃料噴射弁、前記点火プラグ及び前記可変圧縮比機構を制御する制御部と、
   を備える内燃機関の制御装置において、
   前記制御部は、
   機関始動時における機関回転速度の実際の変化の挙動を予め設定した基準挙動と比較し、前記実際の変化の挙動と前記基準挙動とが異なる場合に、
   前記燃料噴射弁から噴射されて前記点火プラグの周りに滞在する燃料噴霧に直接火花点火する成層燃焼から、燃焼室内に均質な混合気を形成して燃料を燃焼させる均質燃焼へ切り替えるとともに、前記内燃機関の機械的圧縮比を燃焼の切り替え前よりも高める、
   内燃機関の制御装置。

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