JPWO2018216153A1 - 内燃機関の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

吸気行程から圧縮行程前半までの間と、圧縮行程後半とに少なくとも１回ずつの燃料噴射を行うことで燃焼室内に成層混合気を形成して成層燃焼を行う内燃機関の制御方法において、圧縮行程後半に噴射した燃料噴霧のエネルギにより点火プラグ周りの流動エネルギが増大しているときに、点火プラグに相対的に大きな放電電流を流して火花点火を開始し、その後、放電電流を相対的に小さくして所定期間放電を行う。

Description

本発明は、吸気行程から圧縮行程前半までの間と圧縮行程後半とに少なくとも１回ずつの燃料噴射を行うことで成層混合気を形成し、圧縮行程後半に噴射した燃料噴霧のエネルギにより点火プラグ周りの流動エネルギが増大している間に火花点火を行う内燃機関の制御に関する。

点火プラグ周りに可燃混合気を形成し、その他の部分には希薄混合気を形成した状態で燃焼させる、いわゆる成層燃焼が知られている。ＪＰ １９９９−３０３７２１ Ａ１には、内燃機関の低負荷運転中に成層燃焼を行う際に、放電期間を均質燃焼時の放電期間よりも長くする制御が開示されている。上記文献に開示された制御は、放電期間内に点火プラグ周りに可燃混合気が存在しないという事態を回避するためのものである。

ところで、成層燃焼の場合には、燃焼室全体に均質な可燃混合気を形成して燃焼させる均質燃焼の場合に比べて、点火プラグ周りの当量比は増大している。つまり、成層燃焼時には、均質燃焼時に比べて点火プラグ周りの混合気は着火し易い状態である。このため、成層燃焼時に安定した燃焼を得るための放電電流の履歴は、均質燃焼時の放電電流の履歴とは異なる。

しかしながら、上記文献では点火のタイミングと放電期間とについて言及しているものの、成層燃焼に適した放電電流の履歴については言及されていない。このため、上記文献の制御には改善の余地がある。

そこで本発明では、成層燃焼時に放電電流の履歴を成層燃焼に適したものになるよう制御する方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、吸気行程から圧縮行程前半までの間と、圧縮行程後半とに少なくとも１回ずつの燃料噴射を行うことで燃焼室内に成層混合気を形成して成層燃焼を行う内燃機関の制御方法が提供される。この制御方法では、圧縮行程後半に噴射した燃料噴霧のエネルギにより点火プラグ周りの流動エネルギが増大しているときに、点火プラグに相対的に大きな放電電流を流して火花点火を開始し、その後、放電電流を相対的に小さくして所定期間放電を行う。

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、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、燃焼形態マップである。 図１４は、可変圧縮比機構の一例を示す図である。 図１５は、均質リーン燃焼時における放電ギャップのガス流速及び放電ギャップの空燃比のチャートである。 図１６は、均質リーン燃焼時における、点火時期からの経過時間と二次電流との関係を示すチャートである。 図１７は、成層リーン燃焼時における放電ギャップのガス流速及び放電ギャップの空燃比のチャートである。 図１８は、成層リーン燃焼時における、点火時期からの経過時間と二次電流との関係を示すチャートである。 図１９は、コントローラに記憶された制御ルーチンを示すフローチャートである。 図２０は、リーン燃焼領域における、二次電流、放電時間、二次電圧、及び点火エネルギと内燃機関の負荷との関係を示す図である。 図２１は、リーン燃焼領域における、燃焼室全体の空燃比、機械的圧縮比及び燃費と内燃機関の負荷との関係を示す図である。

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、駆動装置１７により駆動されて、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が点火時期を制御する。なお、本実施形態でいう「点火時期」とは、火花点火を開始するタイミングのことをいう。また、点火プラグ１１は、放電ギャップ間のガス流速を検出する流速センサ２３としても動作する。

駆動装置１７は、コントローラ５０からの点火信号に応じて点火プラグ１１に放電電圧を発生させる。また、駆動装置１７は、放電開始時の火花放電を行うための回路の他に、放電期間中に点火プラグ１１の電極間に放電電圧と同方向の電圧（以下、重ね電圧ともいう）を印加するための回路も有する。重ね電圧を印加するための構成については公知（例えばＪＰ２０１６−５３３１２Ａ１）なので詳細な説明は省略する。

放電期間中に重ね電圧を印加することで、放電時間を長くすることが可能である。換言すると、重ね電圧を制御することにより、放電期間を任意に制御することができる。

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及びアクセル開度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。

アクセル開度センサは、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量を検出する。

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、タンブル流動の減衰を説明するための図である。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。燃焼室が狭くなるにつれて、タンブル流動は押しつぶされ、徐々にその流動が弱まり（図９）、やがて崩壊する。

したがって、点火プラグ１１周りに可燃混合気が存在し、その他の部分に希薄な混合気が存在する成層混合気を形成し、かつ点火時期を圧縮行程後半まで遅角させる成層燃焼を実行する場合には、点火時期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、つまり放電ギャップに生ずるアーク（以下、プラグ放電チャンネルＣＮともいう）が十分に伸長せずに、失火やパーシャルバーンを起こすおそれがある。なお、ここでいう「点火プラグ１１周り」には、点火プラグ１１の放電ギャップも含む。

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て、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、圧縮行程後半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。図中の破線は、圧縮行程後半の燃料噴射を行わない場合の乱流強度の変化を示している。

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、圧縮行程後半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Ｃ１が点火時期として適している。一方、後述する均質リーン燃焼を行う場合には、圧縮行程後半の燃料噴射を行わないので、成層燃焼に比べて燃焼が緩慢になる。このため、均質リーン燃焼の場合の点火時期はタイミングＣ１よりも早いタイミングＣ２が適している。

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を省略している。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周り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い。例えば、噴射した燃料が燃焼室内で反射して、点火プラグ周りに流動を与える実施形態でもよい。

タンブル流動が弱まるほど点火プラグ１１周りの流動は小さくなる。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、燃料噴射弁１２による燃料噴射によって点火プラグ１１周りの流動が強まっている状態で火花点火を行う。これにより、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、タンブル流動が弱まった後に点火プラグ１１周りに流動を付与し、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。

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。図１２Ａ、図１２Ｂのいずれの場合も、吸気行程において全噴射量の９０％以上を噴射する。残りの燃料は、圧縮行程後半に２回に分割して噴射してもよいし（図１２Ａ）、１回で噴射してもよい（図１２Ｂ）。なお、ここでいう全噴射量とは、１サイクル当たりに噴射する燃料量である。

なお、上記の通り本実施形態における成層燃焼では、圧縮行程後半に噴射されて点火プラグ１１周りに可燃混合気を形成する燃料量は、全噴射量の１０％以下である。このため、点火プラグ１１周りに形成される可燃混合気は全焼室全体のごく一部に過ぎない。このような成層燃焼を、圧縮行程後半により多くの燃料を噴射する成層燃焼と区別するため、「弱成層燃焼」と称してもよい。

ここで、コントローラ５０が実行する制御について説明する。

まず、燃焼形態の切り替えについて説明する。

コントローラ５０は、内燃機関１０の運転状態に応じて、燃焼形態を切り換える。なお、ここでいう運転状態とは、内燃機関１０の回転速度及び負荷である。回転速度はクランク角センサの検出値に基づいて公知の方法により算出可能である。負荷は、アクセル開度センサの検出値に基づいて公知の方法により算出可能である。

図１３は、各運転状態で実行する燃焼形態を示すマップである。図１３の縦軸は負荷、横軸は回転速度である。

図１３に示す通り、低中回転・低中負荷領域の一部がリーン燃焼領域であり、その他の領域が均質ストイキ燃焼領域である。そして、リーン燃焼領域はさらに分割されており、負荷Ｑ１を境界として、相対的に負荷が高い領域は成層リーン燃焼領域、相対的に負荷が低い領域が均質リーン燃焼領域となっている。ここでいう「成層リーン燃焼」とは、上述した成層燃焼のことをいう。均質ストイキ燃焼とは、燃焼室全体に理論空燃比の混合気を形成して行う燃焼である。負荷Ｑ１は本実施形態を適用する内燃機関１０の仕様に応じて設定するものである。

成層リーン燃焼及び均質リーン燃焼のいずれの場合も、コントローラ５０は基本的には燃焼室全体の空気過剰率λを２に制御する。ただし、厳密な意味で空気過剰率λ＝２に限られるものではなく、略２といえる程度の範囲を含むものである。また、負荷の増大に応じて、着火性確保等のためにコントローラ５０は空気過剰率λを２よりもリッチ側に補正する場合がある。

また、以下の説明において、空気過剰率λに替えて空燃比Ａ／Ｆを用いる場合がある。この場合、空気過剰率λ＝２は空燃比Ａ／Ｆ≒３０と表示する。

また、コントローラ５０は、内燃機関１０の負荷の増大に応じて、ノッキングの発生を抑制するために機械的圧縮比を低下させる。ただし、コントローラ５０は、成層リーン燃焼時には、仮に同一運転条件で均質リーン燃焼を行うとした場合よりも機械的圧縮比を高く制御する。これは、成層リーン燃焼の方が均質リーン燃焼よりも燃焼速度が高くノッキングが生じ難いからである。

ここで、可変圧縮比機構について説明する。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１４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回り方向に回転する。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を中心として図中時計回り方向に回転する。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。

次に、均質リーン燃焼時と成層リーン燃焼時とにおける点火エネルギについて説明する。

図１５は、均質リーン燃焼時における、放電ギャップのガス流速及び放電ギャップの空燃比Ａ／Ｆの変化を示すチャートである。図１５の横軸はクランク角度[ｄｅｇ]であり、図１０のタイミングＣ２以降の様子を示している。

図１６は、均質リーン燃焼時における、点火時期からの経過時間と点火プラグ１１に流れる二次電流との関係を示すチャートである。

図１７は、均質リーン燃焼時における、放電ギャップのガス流速及び放電ギャップの空燃比Ａ／Ｆの変化を示すチャートである。図１７の横軸はクランク角度[ｄｅｇ]であり、図１０のタイミングＣ１以降の様子を示している。

図１８は、成層リーン燃焼時における、点火時期からの経過時間と点火プラグ１１に流れる二次電流との関係を示すチャートである。なお、図中の破線は、図１６の均質リーン燃焼時のチャートである。

図１５及び図１７における「放電ギャップのガス流速」は、図１０で説明した乱流強度と同義である。

均質リーン燃焼時には、放電ギャップのガス流速はクランク角度が進むにつれて低下する。また、均質リーン燃焼時には燃焼室全体の空気過剰率λが２、つまり空燃比Ａ／Ｆが略３０に制御されるので、当然、放電ギャップの空燃比Ａ／Ｆは略３０である。

これに対し成層リーン燃焼時には、圧縮行程後半に燃料噴射を行ってから火花点火する。このため、放電ギャップのガス流速は、点火時期においては均質リーン燃焼時よりも高くなる。ただし、燃料噴射によるガス流速増大の効果は徐々に減衰するので、放電ギャップのガス流速はやがて均質リーン燃焼時と同じになる。

また、圧縮行程後半の燃料噴射によって、点火時期における放電ギャップの空燃比Ａ／Ｆは均質リーン燃焼時に比べてリッチになる。ただし、圧縮行程後半に噴射された燃料は、自身の貫徹力やタンブル流動によって拡散するため、放電ギャップの空燃比Ａ／Ｆは徐々に３０に戻る。

均質リーン燃焼時には、放電ギャップのＡ／Ｆがストイキに比べて大幅にリーンな略３０なので、放電ギャップの混合気は成層リーン燃焼時に比べて着火し難い。また、均質リーン燃焼時には成層リーン燃焼時に比べて燃焼速度が緩慢である。したがって、均質リーン燃焼時には、安定した燃焼を得るために相対的に大きな二次電流が流れ続けるようにする必要がある。

一方、成層リーン燃焼時には、点火時期における放電ギャップのガス流速が均質燃焼時に比べて高いので、ガス流動に吹き消されることなく初期火炎核を形成するためには、均質リーン燃焼時に比べて二次電流を高くする必要がある。しかし、上記の通り放電ギャップの混合気は均質リーン燃焼時に比べて着火し易いので、一旦燃焼が始まれば、二次電流を低下させても安定した燃焼が得られる。このため、成層リーン燃焼時には、点火時期の後に二次電流を小さくすることができる。また、上記の通り放電ギャップの混合気は均質リーン燃焼時に比べて着火し易いので、成層リーン燃焼時には均質リーン燃焼時に比べて放電時間を短くすることもできる。

成層リーン燃焼時には、上記のように点火時期の後に二次電流を小さくしたり、放電時間を短くしたりすることで、１サイクル当たりに消費する点火エネルギを均質リーン燃焼時よりも小さくすることができる。

上記の通り、成層リーン燃焼時に適した放電波形と均質リーン燃焼時に適した放電波形とは異なる。ここでいう放電波形とは、図１６及び図１８に示された二次電流の履歴のことをいう。

そこで、コントローラ５０は、均質リーン燃焼時には一定の二次電流が流れるように、成層リーン燃焼時には、点火時期には相対的に大きな二次電流が流れ、その後は二次電流が小さくなるように、それぞれ駆動装置１７を制御する。

なお、図１８に示した二次電流の波形は、あくまでも一例であって、点火時期に相対的に大きく、その後に相対的に小さくなり、かつ均質リーン燃焼時より点火エネルギが小さくなるのであれば、他の波形であってもよい。例えば、点火時期からの経過時間に応じて二次電流が徐々に小さくなる波形や、点火時期からの所定時間は一定値で、所定時間経過後に二次電流がステップ的に小さくなる波形等、様々な波形が考えられる。

図１９は、上述した制御内容を具体的に制御ルーチンとして示した図である。当該制御ルーチンはコントローラ５０にプログラムされている。

ステップＳ１０において、コントローラ５０は運転状態を読み込む。具体的には、内燃機関１０の回転速度及び負荷を読み込む。

ステップＳ２０において、コントローラ５０は、ステップＳ１０で読み込んだ運転状態と図１３のマップとを用いて、現在の運転領域がリーン燃焼領域か否かを判定する。コントローラ５０は、リーン燃焼領域であればステップＳ３０の処理を実行し、均質ストイキ燃焼領域であればステップＳ６０の処理を実行する。

ステップＳ３０において、コントローラ５０は現在の運転領域が成層リーン燃焼領域か否かを判定する。コントローラ５０は、成層リーン燃焼領域であればステップＳ４０の処理を実行し、均質リーン燃焼領域であればステップＳ５０の処理を実行する。

ステップＳ４０において、コントローラ５０は上述した成層リーン燃焼用の放電波形となるように駆動装置１７を制御する。

ステップＳ５０において、コントローラ５０は上述した均質リーン燃焼用の放電波形となるように駆動装置１７を制御する。

ステップＳ６０において、コントローラ５０は均質ストイキ燃焼用の放電波形となるように駆動装置１７を制御する。均質ストイキ燃焼用の放電波形は、基本的には均質リーン燃焼用の放電波形と同様であるが、均質リーン燃焼用の放電波形に比べて二次電流が小さく、かつ放電時間が短い。

次に、上記制御ルーチンを実行することによる作用効果について説明する。

図２０は、リーン燃焼領域における、二次電流、放電時間、二次電圧、及び点火エネルギと内燃機関１０の負荷との関係を示す図である。図中の負荷Ｑ１は、図１３における負荷Ｑ１と同じものである。図中には、リーン燃焼領域の全域で、つまり相対的に高負荷な領域でも、均質リーン燃焼を行うと仮定した場合の値を比較のために破線で示している。なお、図２０における二次電流は、点火時期における電流値である。上記の通り、コントローラ５０は点火時期の後に二次電流を小さくする制御を行う。

成層リーン燃焼時の二次電流は、当該領域で均質リーン燃焼を行う場合の二次電流より高い。ただし、点火時期の後は、コントローラ５０は二次電流が小さくなるよう制御するので、放電期間の中期から後期にかけては、成層リーン燃焼領域の二次電流は当該領域で均質リーン燃焼を行う場合の二次電流よりも小さくなる。

成層リーン燃焼時の放電時間は、当該領域で均質リーン燃焼を行う場合の放電時間より短い。

リーン燃焼領域の全域にわたって、負荷の増大に応じて二次電圧が高くなり、これに伴い点火エネルギも大きくなる。ただし、相対的に高負荷な領域においては、二次電流及び放電時間を上記の通り制御して成層リーン燃焼を行うので、点火エネルギは当該領域において均質リーン燃焼を行う場合に比べて小さくなる。

図２１は、リーン燃焼領域における、燃焼室全体の空燃比、機械的圧縮比及び燃費と内燃機関１０の負荷との関係を示す図である。図中の負荷Ｑ１は、図１３における負荷Ｑ１と同じものである。図中には、リーン燃焼領域の全域で、つまり相対的に高負荷な領域でも、均質リーン燃焼を行うと仮定した場合の値を比較のために破線で示している。

コントローラ５０は、負荷が高くなるにつれて着火性確保等のために燃焼室全体の空燃比を３０よりもリッチにする。ただし、成層リーン燃焼の場合には、圧縮行程後半の燃料噴射により点火プラグ１１周りの当量比が増大することで着火しやすくなる。このため、成層リーン燃焼の場合には、同じ領域で均質リーン燃焼を行う場合に比べると、燃焼室全体の空燃比をリーンにすることができる。

また、コントローラ５０は、負荷が高くなるにつれてノッキングの発生を抑制するために機械的圧縮比を低くする。ただし、成層リーン燃焼の場合には、圧縮行程後半の燃料噴射により点火プラグ１１周りの当量比が増大することで火炎伝播が速くなり、これによりノッキングが発生し難くなる。このため、成層リーン燃焼の場合には、同じ領域で均質リーン燃焼を行う場合に比べて、機械的圧縮比を高くできる。

上記の通り、相対的に高負荷の領域で成層リーン燃焼を行うと、同じ領域で均質リーン燃焼を行う場合に比べて、全焼室全体の空燃比をよりリーンに、そして機械的圧縮比をより高くできる。その結果、相対的に高負荷な領域における燃費は、同じ領域で均質リーン燃焼を行う場合に比べて良くなる。

以上の通り本実施形態の内燃機関１０の制御方法は、吸気行程から圧縮行程前半までの間と、圧縮行程後半とに少なくとも１回ずつの燃料噴射を行うことで燃焼室内に成層混合気を形成して成層燃焼を行う内燃機関の制御方法である。本実施形態では、圧縮行程後半に噴射した燃料噴霧のエネルギにより点火プラグ１１周りの流動エネルギが増大しているときに、点火プラグ１１に相対的に大きな二次電流（放電電流ともいう）を流して火花点火を開始し、その後、二次電流を相対的に小さくして所定期間放電を行う。火花点火を開始する際の二次電流を相対的に大きくするのは、圧縮行程後半の燃料噴射により強くなった点火プラグ１１周りの流動に打ち勝って放電チャンネルを形成するためである。その後に二次電流を小さくするのは、圧縮行程後半の燃料噴射により点火プラグ１１周りの混合気は当量比が増大して燃焼し易くなっており、少ない点火エネルギで安定した燃焼が得られるからである。このように、成層リーン燃焼時に放電波形を成層燃焼に適した波形に制御することで、成層リーン燃焼時の点火エネルギを低減させつつ、燃費の向上を図ることができる。

本実施形態では、リーン燃焼領域において、内燃機関１０の負荷が相対的に高い運転領域で成層燃焼を行い、内燃機関１０の負荷が相対的に低い運転領域では均質リーン燃焼を行う。そして、成層燃焼時と均質リーン燃焼時とで、点火プラグの放電波形を異ならせる。これにより、成層燃焼時と均質リーン燃焼時とで、それぞれの燃焼形態に適した放電波形を設定することができる。

本実施形態では、成層燃焼時と均質リーン燃焼時のいずれの場合も、燃焼室全体の空気過剰率λが２になるよう制御する。これにより、成層リーン燃焼領域以外のすべての領域でストイキ燃焼を行う場合に比べて、リーン運転領域が広くなるので、燃費が向上する。

本実施形態では、均質リーン燃焼時の点火プラグ１１の放電時間（放電継続期間）を、成層燃焼時の放電時間より長くする。均質リーン燃焼時には、成層リーン燃焼時に比べて着火性が低下し、かつ燃焼が緩慢になるが、放電時間を長くすることにより燃焼が安定する。その結果、燃費を向上し、かつエミッションを低減することができる。

本実施形態では、均質リーン燃焼時の点火エネルギを成層燃焼時の点火エネルギより大きくする。点火エネルギを大きくするためには、例えば放電時間を長くしたり、二次電流を大きくしたりすることで、放電期間中の二次電流の積算値を大きくすればよい。これにより、均質リーン燃焼時の燃焼が安定するので、燃費を向上し、かつエミッションを低減することができる。

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. 吸気行程から圧縮行程前半までの間と、圧縮行程後半とに少なくとも１回ずつの燃料噴射を行うことで燃焼室内に成層混合気を形成して成層燃焼を行う内燃機関の制御方法において、
   圧縮行程後半に噴射した燃料噴霧のエネルギにより点火プラグ周りの流動エネルギが増大しているときに、前記点火プラグに相対的に大きな放電電流を流して火花点火を開始し、
   その後、放電電流を相対的に小さくして所定期間放電を行う、
   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、
   内燃機関の低中回転速度・低中負荷領域の一部をリーン燃焼領域とし、
   前記リーン燃焼領域の負荷が相対的に高い運転領域で前記成層燃焼を行い、
   前記リーン燃焼領域の負荷が相対的に低い運転領域では吸気行程から圧縮行程前半までの間に少なくとも１回の燃料噴射を行うことで前記燃焼室内に均質混合気を形成して均質燃焼を行い、
   前記成層燃焼時と前記均質燃焼時とで、前記点火プラグの放電波形を異ならせる、
   内燃機関の制御方法。
3. 請求項２に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記成層燃焼時と前記均質燃焼時のいずれの場合も、燃焼室全体の空気過剰率が２になるよう制御する、
   内燃機関の制御方法。
4. 請求項２または３に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記均質燃焼時の前記点火プラグの放電継続期間を、前記成層燃焼時の前記点火プラグの放電継続期間より長くする、
   内燃機関の制御方法。
5. 請求項４に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記均質燃焼時の点火エネルギを前記成層燃焼時の点火エネルギより大きくする、
   内燃機関の制御方法。
6. 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃焼室内に形成された混合気に火花点火する点火プラグと、
   前記点火プラグを駆動する駆動装置と、
   前記燃料噴射弁と前記駆動装置と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、
   吸気行程から圧縮行程前半までの間と、圧縮行程後半とに少なくとも１回ずつの燃料噴射を行うことで前記燃焼室内に成層混合気を形成し、
   圧縮行程後半に噴射した燃料噴霧のエネルギにより点火プラグ周りの流動エネルギが増大しているときに、前記点火プラグに相対的に大きな放電電流を流して火花点火を開始し、
   その後、放電電流を相対的に小さくして所定期間放電を行う、
   内燃機関の制御装置。

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