WO2015137003A1 - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

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fuel
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卓 近藤
寿 英
橋本　公太郎
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Definitions

  • the present invention relates to a combustion control device for an internal combustion engine, and more particularly to a combustion control device for burning a homogeneous and lean air-fuel mixture by spark ignition.
  • Patent Document 1 A lean mixture combustion technique for spark-igniting a lean (high air-fuel ratio) mixture is widely known, for example, as shown in Patent Document 1.
  • NOx contained in the exhaust gas cannot be purified by a three-way catalyst, so it is important to increase the combustion limit air-fuel ratio.
  • Patent Document 1 discloses a technique for stably combusting while increasing the average air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the entire combustion chamber by stratifying and arranging a relatively rich air-fuel mixture (small air-fuel ratio) near the spark plug. Has been.
  • this technique since the amount of NOx generated by the combustion in the vicinity of the spark plug is large, it is required to further reduce the NOx emission amount.
  • Non-Patent Document 1 As a method for reliably burning a homogeneous lean air-fuel mixture having an air-fuel ratio of about “30”, the compression ratio is set so as to raise the air-fuel mixture temperature at ignition to a desired temperature, It has been proposed to use a fuel injection valve.
  • Non-Patent Document 1 shows that the proposed spark ignition combustion of a homogeneous lean mixture can surely burn a homogeneous lean mixture having an air-fuel ratio of about “30” to reduce NOx emissions. There is still room for further study on specific combustion control methods to be applied to mass-produced engines.
  • the present invention has been made in view of such a situation.
  • An object is to provide a control device.
  • the present invention provides spark ignition means for performing spark ignition of an air-fuel mixture in a combustion chamber (1) of an internal combustion engine, ignition control means for controlling the spark ignition means, and air-fuel mixture in the combustion chamber.
  • An air-fuel ratio control means for controlling the air-fuel ratio of the engine is provided.
  • the combustion control device includes a homogeneous lean air-fuel mixture forming means for forming a homogeneous and lean air-fuel mixture in the combustion chamber.
  • the spark ignition means generates a discharge in the spark plug (8) and the spark plug.
  • a plurality of ignition coil pairs (71, 72), and the discharge start timing (CAIG) and duration (TSPK) of the spark plug can be changed.
  • the fuel is injected into the intake passage (2) of the engine using a fuel injection valve (6) that can be atomized and injected, and the air-fuel ratio control means sets the air-fuel ratio to a leaner side than the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the lean air-fuel ratio is controlled to be leaner than a predetermined lean air-fuel ratio (AFL1), and the ignition control means controls the discharge start timing (CAIG) and the discharge duration (TSPK) in the spark plug,
  • the electric start timing (CAIG) set to the advance side than the discharge start timing when the air-fuel ratio of the mixture in the spark plug vicinity igniting the stratified lean air-fuel mixture is formed to be relatively small.
  • the air-fuel ratio is controlled to be a lean air-fuel ratio that is further leaner than the predetermined lean air-fuel ratio, and the atomized fuel is injected into the intake passage.
  • a lean air-fuel mixture is formed in the intake passage and further sucked into the combustion chamber, whereby a lean air-fuel mixture with higher homogeneity can be formed.
  • the discharge start timing and discharge duration in the spark plug can be changed, by appropriately setting the discharge start timing and discharge duration, that is, the lead angle from the discharge start timing when igniting a stratified lean mixture is set. By setting the discharge start time on the side, it is possible to set a long discharge duration, and to reliably ignite a homogeneous lean air-fuel mixture.
  • the ignition control means advances the discharge start timing (CAIG) and increases the discharge duration (TSPK) as the air-fuel ratio increases in the air-fuel ratio range leaner than the predetermined lean air-fuel ratio (AFL1). ) Should be set longer.
  • CAIG discharge start timing
  • TSPK discharge duration
  • control is performed to advance the discharge start timing and set the discharge duration longer, thereby changing the air-fuel ratio. Can realize stable combustion.
  • flow generation means (2a, 4) for generating a flow of the sucked air-fuel mixture in the combustion chamber.
  • the homogeneous lean air-fuel mixture forming means executes the first fuel injection (FI1) by the fuel injection valve (6) during the valve closing period of the intake valve (21) of the engine and the valve opening period of the intake valve. It is desirable to execute the second fuel injection (FI2) by the fuel injection valve.
  • the predetermined lean air-fuel ratio (AFL1) is preferably set so that the amount of NOx discharged from the combustion chamber is less than or equal to an allowable upper limit value.
  • the predetermined lean air-fuel ratio is set so that the amount of NOx discharged from the combustion chamber is less than or equal to the allowable upper limit value, so that the air-fuel ratio is controlled to an air-fuel ratio range leaner than the predetermined lean air-fuel ratio.
  • a three-way catalyst containing platinum is provided in the exhaust passage of the engine, and a first temperature increase promotion control for accelerating the temperature increase of the three-way catalyst (10) immediately after the start of the engine,
  • the first temperature increase promotion control means that is executed until the control switching timing (t1) and the second temperature increase promotion control for promoting the temperature increase of the three-way catalyst (10) are executed after the control switching timing (t1).
  • Second temperature increase promotion control means for increasing the intake air amount of the engine and setting the air-fuel ratio (AF) of the air-fuel mixture leaner than the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the first temperature increase promotion control is performed by controlling to 1 lean air-fuel ratio (AFTRA1) and setting the discharge start timing (CAIG) of the spark plug to a predetermined retarded ignition timing (CATRA1) that is retarded from the optimal ignition timing.
  • the control means controls the air-fuel ratio (AF) to a second lean air-fuel ratio (AFTRA2) that is leaner than the first lean air-fuel ratio (AFTRA1), and sets the discharge start timing (CAIG) to the predetermined retarded ignition It is desirable to further retard the timing (CATRA1) and increase the discharge duration (TSPK) of the spark plug.
  • the first temperature increase promotion control for promoting the temperature increase of the three-way catalyst is executed immediately after the start of the engine until the control switching timing, and after the control switching timing, the temperature increase of the three-way catalyst is accelerated.
  • the second temperature increase promotion control is performed for this purpose.
  • the intake air amount of the engine is increased, the air-fuel ratio is controlled to the first lean air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and the discharge start timing of the spark plug is retarded from the optimal ignition timing.
  • the air-fuel ratio is controlled to a second lean air-fuel ratio that is leaner than the first lean air-fuel ratio, and the discharge start timing is delayed by a predetermined delay. Control is performed to further retard the angular ignition timing and increase the discharge duration of the spark plug.
  • the three-way catalyst containing platinum is activated at a lower temperature by setting the air-fuel ratio to a leaner side (for example, about “22”) than the set air-fuel ratio (for example, “16”) in the conventional catalyst temperature increase promotion control.
  • the activation of the three-way catalyst can be accelerated by performing the second temperature increase promotion control after the control switching time when the temperature of the three-way catalyst becomes higher to some extent. Therefore, the fuel efficiency can be improved by making the air-fuel ratio leaner and shortening the execution time of the catalyst acceleration control.
  • a temperature parameter acquisition unit that acquires a catalyst temperature parameter (TCAT) correlated with the temperature (TCAT) of the three-way catalyst is provided, and at the control switching timing (t1), the catalyst temperature parameter (TCAT) is a predetermined temperature ( It is desirable that the time when TCATL) is reached.
  • TCAT catalyst temperature parameter
  • the control switching time is set to the time when the catalyst temperature parameter reaches the predetermined temperature. Since the second temperature increase promotion control is effective after the time when the temperature of the three-way catalyst reaches the predetermined temperature, the second temperature increase promotion control is executed from the time when the catalyst temperature parameter exceeds the predetermined temperature. As a result, a remarkable temperature increase promoting effect can be obtained.
  • the second temperature increase promotion control unit decreases the air-fuel ratio (AF) as the catalyst temperature parameter (TCAT) increases, advances the discharge start timing (CAIG), and discharge duration (TSPK). It is desirable to reduce
  • the air-fuel ratio is decreased, the discharge start timing is advanced, and the discharge duration time is decreased. Since the three-way catalyst containing platinum has a characteristic that the purification performance becomes higher as the air-fuel ratio becomes closer to the theoretical air-fuel ratio when the catalyst temperature becomes higher, the higher the catalyst temperature parameter, the lower the air-fuel ratio. Performance can be obtained. In addition, by reducing the air-fuel ratio, stable combustion can be obtained even if the advance angle of the discharge start time and the discharge duration time are shortened. Therefore, the discharge start time is advanced as much as possible and the discharge duration time is reduced. As a result, the engine output can be increased and the energy efficiency can be increased.
  • the second temperature increase promotion control means controls the flow intensity of the air-fuel mixture to be relatively high at the start of the second temperature increase promotion control, and sets the air-fuel ratio to the first lean air-fuel ratio (AFTRA1). It is desirable to gradually reduce the strength of the flow from the time (t2) when the flow is reduced to the vicinity.
  • the flow strength is controlled to be relatively high, and the flow strength is gradually increased from the time when the air-fuel ratio is reduced to the vicinity of the first lean air-fuel ratio.
  • the control to decrease is performed.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) and its control device according to an embodiment of the present invention.
  • engine an internal combustion engine
  • a throttle valve 3 is placed in the middle of an intake passage 2 of a four-cylinder engine 1. Is arranged.
  • a fuel injection valve 6 is provided corresponding to each cylinder, and its operation is controlled by an electronic control unit (hereinafter referred to as "ECU”) 5.
  • ECU electronice control unit
  • a partition wall 2a and a tumble flow control valve 4 disposed in one flow path formed by the partition wall 2a are provided immediately upstream of the intake valve 21 in the intake passage 2.
  • the tumble flow control valve 4 is configured to be opened and closed by an actuator 4a.
  • the actuator 4a is connected to the ECU 5, and its operation is controlled by the ECU 5.
  • the tumble flow control valve 4 generates a tumble flow of the air-fuel mixture in the combustion chamber 1a.
  • a spark plug 8 is attached to each cylinder of the engine 1, and the spark plug 8 is connected to the ECU 5 via the ignition circuit unit 7.
  • the ECU 5 controls the discharge start timing CAIG and the discharge duration time TSPK in the spark plug 8 as will be described later.
  • the ECU 5 includes an intake air flow sensor 11 that detects the intake air flow rate GAIR of the engine 1, an intake air temperature sensor 12 that detects the intake air temperature TA, a throttle valve opening sensor 13 that detects the throttle valve opening TH, and an intake pressure PBA.
  • An intake pressure sensor 14 to detect, a coolant temperature sensor 15 to detect the engine coolant temperature TW, and other sensors (not shown) are connected, and detection signals from these sensors are supplied to the ECU 5.
  • the ECU 5 is connected to a crank angle position sensor 16 that detects a rotation angle of a crankshaft (not shown) of the engine 1, and a pulse signal corresponding to the rotation angle of the crankshaft is supplied to the ECU 5.
  • the crank angle position sensor 16 outputs a plurality of pulse signals indicating the crank angle position. These pulse signals are used for various timing controls such as fuel injection timing, ignition timing (discharge start timing of the spark plug 8), and the like. Used to detect the engine speed NE.
  • the exhaust passage 9 is provided with a three-way catalyst 10 for exhaust purification.
  • the three-way catalyst 10 is equipped with a catalyst temperature sensor 18 for detecting the temperature of the three-way catalyst 10 (hereinafter referred to as “catalyst temperature”) TCAT, and the detection signal is supplied to the ECU 5.
  • a proportional oxygen concentration sensor 17 (hereinafter referred to as “LAF sensor 17”) is mounted on the upstream side of the three-way catalyst 10 and on the downstream side of the collection portion of the exhaust manifold communicating with each cylinder. 17 outputs a detection signal substantially proportional to the oxygen concentration (air-fuel ratio AF) in the exhaust gas and supplies it to the ECU 5.
  • the ECU 5 shapes input signal waveforms from various sensors, corrects the voltage level to a predetermined level, converts an analog signal value into a digital signal value, a central processing unit (CPU), It comprises a storage circuit for storing various calculation programs executed by the CPU and calculation results, an output circuit for supplying a drive signal to the fuel injection valve 6, the ignition circuit unit 7, the actuator 4a, and the like.
  • CPU central processing unit
  • the fuel injection amount by the fuel injection valve 6 is obtained by correcting the basic fuel amount calculated according to the intake air flow rate GAIR with the air / fuel ratio correction coefficient KAF calculated according to the air / fuel ratio AF detected by the LAF sensor 17. Controlled by.
  • the air-fuel ratio correction coefficient KAF is calculated so that the detected air-fuel ratio AF coincides with the target air-fuel ratio AFCMD.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of the ignition circuit unit 7 corresponding to one cylinder.
  • the ignition circuit unit 7 includes a first coil pair 71 including a primary coil 71a and a secondary coil 71b, a primary coil 72a, A second coil pair 72 including a secondary coil 72b, a booster circuit 73 that boosts the output voltage VBAT of the battery 30 and outputs a boosted voltage VUP, transistors Q1 and Q2 that control energization of the primary coils 71a and 72a, Diodes D1 and D2 connected between the secondary coils 71b and 72b and the spark plug 8 are provided.
  • the bases of the transistors Q1 and Q2 are connected to the ECU 5, and the ECU 5 performs on / off control (primary coil energization control). It is possible to change the discharge duration (discharge duration) TSPK in the spark plug 8 according to the operating state of the engine 1 by alternately conducting energization while overlapping a part of the energization periods of the two primary coils. it can. Further, the first energization end timing of the primary coil corresponds to the discharge start timing CAIG, and the discharge start timing CAIG can also be changed according to the operating state of the engine 1.
  • the fuel injection valve 6 is capable of atomizing and injecting fuel, and has a characteristic of SMD (Sauter Mean Diameter) of about 35 ⁇ m (injection at a fuel pressure of 350 kPa and SMD 50 mm below the injection port). And a valve that can change the opening degree (lift amount) of the valve in at least two stages.
  • FIG. 4A schematically shows a fuel injection state (a state in which the injected fuel is diffused) by the fuel injection valve 6, and
  • FIG. 4B shows a fuel by a normal fuel injection valve shown for comparison. The injection state of is shown.
  • the fuel concentration in the peripheral portion of the fuel distributed in a conical shape is high, whereas in the fuel injection valve 6, the reach of the atomized fuel is shortened and the concentration distribution in the diffusion region is reduced.
  • the degree of homogeneity is high (the difference in density is small).
  • FIG. 5 is a diagram showing the valve opening timing, the valve opening time TFI, and the lift amount LFT when the fuel injection valve 6 is opened, and the horizontal axis is the crank angle CRA.
  • the first fuel injection FI1 is executed in the compression stroke within one combustion cycle
  • the second fuel injection FI2 is executed in the intake stroke.
  • the first fuel injection FI1 is a fuel injection having a relatively large lift amount LFT1 and a relatively short valve opening time TFI1
  • the second fuel injection FI2 has a lift amount LFT2 smaller than the lift amount LFT1 and a valve opening time.
  • TFI2 be the fuel injection set longer than the valve opening time TFI1.
  • the lift amounts LFT1, LFT2 and the valve opening times (fuel injection times) TFI1, TFI2 are set so that the total fuel injection amount in the first and second fuel injections FI1, FI2 becomes the fuel injection amount corresponding to the target air-fuel ratio AFCMD. Is set.
  • a fuel injection valve 6 capable of atomizing and injecting fuel is opened as shown in FIG. 5 to form a relatively homogeneous air-fuel mixture in the intake passage 2 by the first fuel injection FI1,
  • an amount of fuel required to make the detected air-fuel ratio AF coincide with the target air-fuel ratio AFCMD is supplied to the combustion chamber, and the air-fuel ratio distribution in the combustion chamber is substantially uniform. It is possible to form a homogeneous (high homogeneity) homogeneous lean mixture.
  • first fuel injection FI1 is preferably executed during the compression stroke of the target cylinder
  • second fuel injection FI2 is preferably set to have its end timing immediately before the end timing of the intake stroke.
  • the target air-fuel ratio AFCMD after the warm-up is completed is set to a range of about “24” to “35” (hereinafter referred to as “ultra-lean air-fuel ratio range”), for example.
  • the air-fuel ratio “24” predetermined air-fuel ratio AFL1 is set so that the NOx emission amount (NOx concentration in the exhaust gas) from the engine 1 is equal to or less than the allowable upper limit value CNOxHL (for example, 120 ppm).
  • the air / fuel ratio “35” is an air / fuel ratio set as a limit value for obtaining a necessary engine output.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the air-fuel ratio AF and the NOx concentration CNOx in the exhaust gas.
  • the air-fuel ratio AF is “16” or more, the NOx increases as the air-fuel ratio AF increases (lean).
  • the concentration CNOx decreases. Therefore, the predetermined air-fuel ratio AFL1 needs to be set to increase as the allowable upper limit value CNOxHL decreases.
  • the discharge start timing CAIG in the spark plug 8 is set to a range of 50 degrees to 15 degrees before top dead center corresponding to the target air-fuel ratio AFCMD in the ultra-lean air-fuel ratio range, and the discharge duration TSPK is a homogeneous lean mixture. In order to ensure ignition, it is set to 1.8 to 3 msec.
  • the boost voltage VUP is set so that the discharge energy when the discharge duration time TSPK is set in this way is 150 to 600 mJ.
  • Conventional lean mixture combustion by spark ignition is stratified mixture combustion realized by generating a flow in the combustion chamber so that the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug becomes relatively small.
  • the discharge start time CAIG is set from the ignition timing (for example, 8.0 degrees) of the stratified mixture combustion so that the discharge duration TSPK is set relatively long and the discharge duration TSPK can be secured. Set to the advance side.
  • the geometrical compression ratio of the engine 1 (ratio of the combustion chamber volume when the piston is located at the bottom dead center and the combustion chamber volume when the piston is located at the top dead center) has a minimum effective compression ratio of 9.0. In order to achieve this, it is set slightly larger than the geometric compression ratio of a normal spark ignition engine.
  • tumble flow generation control for generating tumble flow with a flow rate of about 5 to 15 m / sec (flow rate when the engine speed NE is 1500 rpm) is performed.
  • a strong initial flame kernel is formed, and the flame kernel is grown, so that an unburned mixture at the compression top dead center.
  • the elementary reaction that governs the combustion laminar flow rate is changed to a reaction in which hydrogen peroxide decomposes to generate OH radicals, ensuring combustion after compression top dead center Can be completed.
  • FIG. 7 is a diagram showing the transition of the in-cylinder pressure PCYL in the compression stroke and the combustion stroke.
  • the solid line L1 corresponds to this embodiment
  • the thick broken line L2 corresponds to HCCI (homogeneous mixture compression ignition) combustion
  • the thin broken line Corresponds to stoichiometric combustion (combustion when the air-fuel ratio is set to the stoichiometric air-fuel ratio).
  • the crank angle CRA of 0 degrees corresponds to the compression top dead center.
  • the ignition timing in the case of stoichiometric combustion is set slightly ahead of the compression top dead center (for example, a range within a crank angle of 10 degrees). It can be confirmed that highly efficient and stable combustion can be obtained by the combustion of the homogeneous lean air-fuel mixture of the present embodiment by spark ignition.
  • the target air-fuel ratio AFCMD is set within the ultra-lean air-fuel ratio range according to the required torque of the engine 1, and the spark plug 8 is discharged according to the target air-fuel ratio AFCMD.
  • the start time CAIG and the discharge duration TSPK are set.
  • the discharge start timing CAIG (defined by the advance amount from the compression top dead center) is set to advance as the target air-fuel ratio AFCMD increases, as shown in FIG.
  • the discharge duration time TSPK is set so as to increase as the target air-fuel ratio AFCMD increases as shown in FIG. 8B.
  • AFL1 and AFL2 shown in FIG. 8 are predetermined air-fuel ratios set to, for example, “24” and “35”, respectively.
  • CAIG1 and CAIG2 shown in FIG. 8A are, for example, “15 degrees” and “50 degrees, respectively.
  • TSPK1 and TSPK2 shown in FIG. 8B are predetermined discharge times set to, for example, “1.8 msec” and “3 msec”, respectively.
  • the discharge start timing CAIG is set according to the target air-fuel ratio AFCMD as described above, and advanced as the engine speed NE increases.
  • the crank angle CRA corresponding to the discharge duration TSPK increases, so that the required discharge duration TSPK is secured even in a high rotation state by advancing the discharge start timing CAIG and stable. Combustion can be obtained.
  • a homogeneous mixture with an ultra lean air / fuel ratio can be formed in the combustion chamber and reliably ignited to complete combustion, so that the homogeneous lean mixture has good controllability. Spark ignition flame propagation combustion can be performed, and combustion with high efficiency and low NOx emission can be realized.
  • the fuel atomized by the fuel injection valve 6 is injected into the intake passage 2, a relatively homogeneous lean air-fuel mixture is first formed in the intake passage 2 and further into the combustion chamber 1a. By being inhaled, a lean mixture with higher homogeneity can be formed.
  • the discharge start timing CAIG and the discharge duration time TSPK in the spark plug 8 can be controlled, the discharge when the stratified lean air-fuel mixture is ignited by appropriately setting the discharge start timing CAIG and the discharge duration time TSPK. By setting the discharge start time CAIG on the advance side from the start time, the discharge duration time TSPK can be set longer and the homogeneous lean air-fuel mixture can be reliably ignited.
  • the discharge start timing CAIG of the spark plug 8 is advanced and the discharge duration time TSPK is set longer. Since the control is performed, stable combustion can be realized corresponding to the change of the target air-fuel ratio AFCMD.
  • a powerful initial flame kernel that is, compression top dead center is set by setting the discharge duration TPSK of the spark plug 8 and the air-fuel mixture flow. It is possible to form an initial flame nucleus that can raise the temperature of the combustion mixture at 1000 ° K or higher and realize high-efficiency combustion. That is, in the present embodiment, the air-fuel mixture flow in the combustion chamber is not generated to relatively reduce the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug, but forms a powerful initial flame kernel that completes combustion. Is generated.
  • a lean mixture with high homogeneity is formed in the intake passage 2 by the first fuel injection FI1 during the closing period of the intake valve 21, and combustion is performed by performing the second fuel injection FI2 in the subsequent intake valve opening period.
  • the chamber 1a it is possible to form a lean air-fuel mixture with a higher degree of homogeneity.
  • the predetermined air-fuel ratio AFL1 which is the lower limit value of the ultra-lean air-fuel ratio range, is set so that the amount of NOx discharged from the combustion chamber is less than or equal to the allowable upper limit value, so that the ultra-lean air on the lean side of the predetermined air-fuel ratio AFL1 is set.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the air-fuel ratio AF and the activation temperature TACT of the three-way catalyst 10.
  • the solid line corresponds to the three-way catalyst 10 containing platinum in the present embodiment, and the broken line is for comparison.
  • the relationship between the activation temperature TACT of the three-way catalyst containing palladium and the air-fuel ratio AF is shown.
  • the activation temperature TACT is defined as a temperature at which the purification rate (HC purification rate) of hydrocarbon components in the exhaust gas becomes 10%.
  • the activation temperature TACT is lowest (activation is accelerated) when the air-fuel ratio AF is in the range of “17” to “18”, but the three-way catalyst containing platinum In the catalyst 10, it can be confirmed that the activation temperature TACT decreases as the air-fuel ratio AF increases. Therefore, in order to activate the three-way catalyst 10 at an early stage, it is effective to perform the temperature rise promotion control with lean air-fuel ratio combustion of the air-fuel ratio “20” to “22”.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the temperature of the three-way catalyst 10, that is, the catalyst temperature TCAT, and the HC purification rate ⁇ HC, and the curves L11 to L15 correspond to the air-fuel ratio AF shown in the figure. From this figure, when the catalyst temperature TCAT is about 250 ° C., a high purification rate is obtained when the air-fuel ratio AF is “22.5”, and as the catalyst temperature TCAT rises, the air-fuel ratio AF is decreased to always reduce the air-fuel ratio AF. It can be confirmed that the rate is obtained.
  • the air-fuel ratio AF is controlled according to the catalyst temperature TCAT from the time when the catalyst temperature TCAT has risen to some extent (for example, when it has risen to 220 ° C.), thereby The relationship between the catalyst temperature TCAT and the HC purification rate ⁇ HC as indicated by L10 is realized.
  • FIG. 11 is a flowchart of the temperature increase promotion control process. This process is executed in the ECU 5 every predetermined time (for example, 10 msec).
  • step S11 it is determined whether or not the catalyst temperature TCAT is lower than a predetermined upper temperature TCATH (eg, 350 ° C.). If the answer is negative (NO), that is, if the catalyst temperature TCAT is sufficiently high, the temperature increase promotion control is unnecessary. Therefore, the process is immediately terminated. If the answer to step S11 is affirmative (YES), it is determined whether or not the catalyst temperature TCAT is higher than a predetermined lower temperature TCATL (eg, 220 ° C.) (step S12).
  • a predetermined upper temperature TCATH eg, 350 ° C.
  • the predetermined lower temperature TCATL corresponds to the lowest temperature at which the above-described temperature increase promotion control by the lean air-fuel ratio combustion (second temperature increase promotion control) is effective.
  • step S13 the target opening THCMD of the throttle valve 3 is set to the temperature increase accelerating idle opening THFIDL, and the intake air amount of the engine 1 is increased.
  • step S14 the target air-fuel ratio AFCMD is set to a first predetermined air-fuel ratio AFTRA1 (eg, “16”), and in step S15, the discharge start timing CAIG of the spark plug 8 is set to a first predetermined timing that is retarded from the optimal ignition timing.
  • CATRA1 for example, 3 degrees
  • the discharge duration TSPK is set to a first predetermined time TTRA1 (for example, 2.0 msec (equivalent value of 180 mJ for discharge energy)).
  • step S16 the opening command value TCVCMD of the tumble flow control valve 4 is set to a relatively small first predetermined opening TCVTRA1, and the opening is set to correspond to a state where the flow intensity is relatively high.
  • the discharge start timing CAIG is defined by the advance amount from the compression top dead center. An increase in the opening command value TCVCMD corresponds to a decrease in the strength of the tumble flow.
  • the target opening degree THCMD, the target air-fuel ratio AFCMD, the discharge duration time TSPK, and the opening degree command value TCVCMD are gradually changed from the initial values at the start of the engine 1 to the above set values.
  • step S12 When the catalyst temperature TCAT exceeds the predetermined lower temperature TCATL by the first temperature increase promotion control, the answer to step S12 becomes affirmative (YES), and the second temperature increase promotion control by steps S21 to S24 is executed.
  • step S21 the AFCMD table shown in FIG. 12A is retrieved according to the catalyst temperature TCAT, and the target air-fuel ratio AFCMD is set.
  • the AFCMD table is set to the first predetermined air-fuel ratio AFTRA1 when the catalyst temperature TCAT is lower than the predetermined lower temperature TCATL.
  • the target air-fuel ratio AFCMD becomes higher. It is set to decrease.
  • the second and third predetermined air-fuel ratios AFTRA2 and AFTRA3 in FIG. 12A are set to “22.5” and “14.7”, for example.
  • step S22 the discharge start timing CAIG and the discharge duration time TSPK are set according to the target air-fuel ratio AFCMD. Specifically, the CAIG table shown in FIG. 12B is searched according to the target air-fuel ratio AFCMD, the discharge start timing CAIG is calculated, and the TSPK table shown in FIG. 12C according to the target air-fuel ratio AFCMD. And the discharge duration TSPK is calculated.
  • the CAIG table is set so that the discharge start timing CAIG decreases as the target air-fuel ratio AFCMD increases.
  • the second and third predetermined times CATRA2 and CATRA3 in FIG. 12B are set to, for example, “0 degree” and “10 degrees”, respectively.
  • the second predetermined timing CATRA2 is set to be retarded from the optimal ignition timing and further retarded from the first predetermined timing CATRA1.
  • the TSPK table is set so that the discharge duration TSPK increases as the target air-fuel ratio AFCMD increases.
  • the second and third predetermined times TTRA2 and TTRA3 in FIG. 12C are set to, for example, “5.0 msec” and “1.5 msec”, respectively.
  • step S23 it is determined whether or not the target air-fuel ratio AFCMD is equal to or lower than the first predetermined air-fuel ratio AFTRA1. If this answer is negative (NO), the processing is immediately terminated. If the answer is positive (YES), the opening command value TCVCMD of the tumble flow control valve 4 is changed from the first predetermined opening TCVTRA1 to the second predetermined opening. A process of gradually increasing is performed until TCVTRA2 (> TCVTRA1) is reached (step S24).
  • the target air-fuel ratio AFCMD, the discharge start timing CAIG, and the discharge duration time TSPK are calculated in steps S21 and S22 from the set values in the first temperature increase promotion control. Transient control that gradually changes to the first set value is performed.
  • FIG. 13 is a time chart showing an operation example of the temperature increase promotion control of FIG. 11, and FIG. 13 (a) shows transitions of the catalyst temperature TCAT and the exhaust gas temperature TEXH from the starting point of the engine 1 (time t0).
  • FIGS. 13B to 13E show changes in the air-fuel ratio AF, the discharge duration TSPK, the discharge start timing CAIG, and the opening command value TCVCMD of the tumble flow control valve 4 from time t0, respectively.
  • the first temperature increase promotion control is executed immediately after the start, and the air-fuel ratio AF, the discharge duration time TSPK, the discharge start timing CAIG, and the opening command value TCVCMD are respectively the first predetermined air-fuel ratio AFTRA1, the first predetermined time TTRA1, 1 predetermined time CATRA1 and first predetermined opening TCVTRA1 are set.
  • the first temperature increase promotion control is shifted to the second temperature increase promotion control.
  • transient control that gradually shifts to the first set value is performed, and the air-fuel ratio AF, the discharge duration time TSPK, and the discharge start timing CAIG are respectively set to the second predetermined air-fuel ratio AFTRA2.
  • the second predetermined time TTRA2 and the second predetermined time CATRA2 are changed.
  • the opening command value TCVCMD is maintained at the first predetermined opening TCVTRA1 until time t2.
  • Time t2 is a time point when the target air-fuel ratio AFCMD decreases to the first predetermined air-fuel ratio AFTRA1 (see step S23 in FIG.
  • the routine proceeds to normal control for setting the target air-fuel ratio AFCMD according to the engine operating state.
  • the first temperature increase promotion control for promoting the temperature increase of the three-way catalyst 10 immediately after the engine 1 is started is executed until the time t1 when the catalyst temperature TCAT reaches the predetermined lower temperature TCATL. Then, after the time t1, the second temperature increase promotion control is executed.
  • the intake air amount is increased by increasing the opening degree of the throttle valve 3, the air-fuel ratio AF is controlled to the first predetermined air-fuel ratio AFTRA1 that is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and the spark plug 8 Is set to a first predetermined timing CATRA1 that is retarded from the optimal ignition timing, and in the second temperature increase promotion control, the air-fuel ratio AF is set further to the lean side than the first predetermined air-fuel ratio AFTRA1. Control is performed to the second predetermined air-fuel ratio AFTRA2, the discharge start timing CAIG is further retarded from the first predetermined timing CATRA1, and the discharge duration time TSPK of the spark plug 8 is increased.
  • the three-way catalyst 10 containing platinum has a lower temperature by setting the air-fuel ratio AF to a leaner side (for example, about “22”) than the set air-fuel ratio (for example, “16”) in the conventional catalyst temperature increase promotion control.
  • the activation of the three-way catalyst 10 can be accelerated by performing the second temperature increase promotion control after time t1 when the catalyst temperature TCAT reaches the predetermined lower temperature TCATL. Therefore, fuel efficiency can be improved by making the air-fuel ratio AF leaner and shortening the execution time of the catalyst acceleration control.
  • the second temperature increase promotion control is effective after the time when the temperature TCAT of the three-way catalyst 10 reaches the predetermined lower temperature TCATL, so that the catalyst temperature TCAT exceeds the predetermined lower temperature TCATL.
  • the air-fuel ratio AF is decreased as the catalyst temperature TCAT becomes higher, the discharge start timing CAIG is advanced, and the discharge duration time TSPK is decreased.
  • the three-way catalyst 10 containing platinum has a characteristic that when the catalyst temperature TCAT becomes higher, the purification performance becomes higher as the air-fuel ratio AF is closer to the theoretical air-fuel ratio. Therefore, the air-fuel ratio AF (target air-fuel ratio becomes higher as the catalyst temperature TCAT becomes higher. High purification performance can be obtained by reducing (ACMD).
  • the opening degree of the tumble flow control valve 4 is set to the first predetermined opening degree TCVTRA1, and the flow intensity is controlled to be relatively high. Control is performed to gradually decrease the strength of the flow from the time when it is reduced to the vicinity of the predetermined air-fuel ratio AFTRA1. By controlling to reduce the air-fuel ratio AF, combustion does not become unstable even if the flow intensity is reduced, so the flow intensity is reduced, heat loss during combustion is reduced, and thermal efficiency is improved. Can do.
  • the ignition circuit unit 7 and the spark plug 8 correspond to the spark ignition means
  • the partition wall 2a and the tumble flow control valve 4 correspond to the flow generation means.
  • the ECU 5 constitutes an ignition control means, an air-fuel ratio control means, a first temperature rise promotion control means, and a second temperature rise promotion control means.
  • the fuel injection valve 6 and the ECU 5 constitute a homogeneous lean mixture formation means, and a catalyst.
  • the temperature sensor 18 constitutes a temperature parameter acquisition unit.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible.
  • the detected catalyst temperature TCAT is used as the catalyst temperature parameter.
  • the following parameter that is, an exhaust temperature sensor is arranged on the upstream side of the three-way catalyst 10.
  • the exhaust temperature TEXH detected by the exhaust temperature sensor may be used as the catalyst temperature parameter.
  • the exhaust temperature sensor constitutes a temperature parameter acquisition means.
  • an estimated catalyst temperature TCATE may be calculated according to the operating state of the engine 1 using a catalyst temperature estimation method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-77740, and the estimated catalyst temperature TCATE may be used as a catalyst temperature parameter.
  • the control switching timing (time t1) at which the first temperature increase promotion control is shifted to the second temperature increase promotion control is set to the time when the catalyst temperature TCAT reaches the predetermined lower temperature TCATL.
  • the elapsed time from the cold start start time of the engine 1 reaches the time when the catalyst temperature TCAT is estimated to reach the predetermined lower temperature TCATL, or from the cold start start time.
  • the fuel injection amount integrated value reaches a value estimated that the catalyst temperature TCAT reaches the predetermined lower temperature TCATL, that is, the catalyst temperature TCAT is estimated to reach a temperature at which the second temperature increase promotion control is effective.
  • the time point may be the “control switching time”.
  • a mechanism for generating tumble flow is used as the flow generation means, but a mechanism for generating swirl flow may be employed. Moreover, you may comprise the shape of the combustion chamber 1a and the piston top part so that a squish flow may be produced
  • the present invention can be applied regardless of the number of cylinders.
  • the present invention can also be applied to a combustion control device such as an engine for a marine propulsion device such as an outboard motor having a vertical crankshaft.

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Abstract

　内燃機関の燃焼制御装置であって、燃焼室内の混合気の火花点火を行う点火プラグと、該点火プラグに放電を発生させるための複数の点火コイル対と、燃料を微粒化して吸気通路内に噴射可能な燃料噴射弁とを備える燃焼制御装置が提供される。微粒化した燃料が吸気通路内に噴射され、燃焼室内に均質かつ希薄な混合気が形成される。燃焼室内の混合気の空燃比は、理論空燃比よりリーン側の所定リーン空燃比よりさらにリーン側の空燃比に制御され、複数の点火コイル対を用いて点火プラグにおける放電開始時期及び放電継続時間が制御される。放電開始時期は、点火プラグ近傍における混合気の空燃比が相対的に小さくなるように形成される成層希薄混合気に点火する場合の放電開始時期より進角側に設定される。

Description

内燃機関の燃焼制御装置
　本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関し、特に均質かつ希薄な混合気を火花点火することによって燃焼させる燃焼制御装置に関する。
　希薄な（空燃比の大きい）混合気を火花点火する希薄混合気燃焼技術は例えば特許文献１に示されるように広く知られている。この希薄混合気燃焼技術においては、排気に含まれるＮＯｘを三元触媒で浄化することができないため、燃焼限界空燃比を高めることが重要である。特許文献１には、点火プラグ近傍に比較的濃い（空燃比の小さい）混合気を成層配置することにより、燃焼室内全体の混合気の平均空燃比を高くしつつ安定的に燃焼させる技術が示されている。
　しかしこの技術では、点火プラグ近傍における燃焼によって発生するＮＯｘ量が多いため、ＮＯｘ排出量をより低減することが求められている。
　そこで、本発明の発明者は均質かつ希薄な混合気を火花点火することによって燃焼させ、安定した燃焼を確保しつつＮＯｘ排出量を低減することができる均質希薄混合気の火花点火燃焼を提案している（非特許文献１）。この非特許文献１では、空燃比「３０」程度の均質希薄混合気を確実に燃焼させるための手法として、点火時の混合気温度を所望の温度まで高めるように圧縮比設定を行うこと、微粒化型の燃料噴射弁を使用することなどが提案されている。
特開２００２－２５６９２７号公報
自動車技術会学術講演会前刷集, No.121-12(2012/10)
　非特許文献１には、提案した均質希薄混合気の火花点火燃焼によって、空燃比「３０」程度の均質な希薄混合気を確実に燃焼させてＮＯｘの排出量を低減できることが示されているが、量産される機関に適用するための具体的な燃焼制御手法については、さらに検討する余地が残されていた。
　本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、均質希薄混合気の火花点火燃焼を確実に実現し、高効率であってしかもＮＯｘ排出量を低減することができる内燃機関の燃焼制御装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため本発明は、内燃機関の燃焼室（１）内の混合気の火花点火を行う火花点火手段と、該火花点火手段を制御する点火制御手段と、前記燃焼室内の混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段とを備える、内燃機関の燃焼制御装置を提供する。この燃焼制御装置は、前記燃焼室内に均質かつ希薄な混合気を形成する均質希薄混合気形成手段を備え、前記火花点火手段は、点火プラグ（８）と、該点火プラグに放電を発生させるための複数の点火コイル対（７１，７２）とを備え、前記点火プラグにおける放電の開始時期（ＣＡＩＧ）及び継続時間（ＴＳＰＫ）を変更可能なものであり、前記均質希薄混合気形成手段は、燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁（６）を用いて、前記機関の吸気通路（２）内に燃料を噴射し、前記空燃比制御手段は、前記空燃比を理論空燃比よりリーン側の所定リーン空燃比（ＡＦＬ１）よりさらにリーン側の空燃比に制御し、前記点火制御手段は、前記点火プラグにおける放電開始時期（ＣＡＩＧ）及び前記放電継続時間（ＴＳＰＫ）を制御し、前記放電開始時期（ＣＡＩＧ）を、前記点火プラグ近傍における混合気の空燃比が相対的に小さくなるように形成される成層希薄混合気に点火する場合の放電開始時期より進角側に設定する。
　この構成によれば、空燃比が理論空燃比よりリーン側の所定リーン空燃比よりさらにリーン側の空燃比に制御され、微粒化された燃料が吸気通路内に噴射されるので、比較的均質な希薄混合気が吸気通路内において形成され、さらに燃焼室内に吸入されることによって、より均質度の高い希薄混合気を形成することができる。また点火プラグにおける放電開始時期及び放電継続時間が変更可能であるため、放電開始時期及び放電継続時間を適切に設定することにより、すなわち、成層希薄混合気に点火する場合の放電開始時期より進角側に放電開始時期を設定することによって、放電継続時間を長く設定することを可能とし、均質希薄混合気を確実に着火させることができる。
　また前記点火制御手段は、前記所定リーン空燃比（ＡＦＬ１）よりリーン側の空燃比範囲において、前記空燃比が増加するほど、前記放電開始時期（ＣＡＩＧ）を進角させるとともに前記放電継続時間（ＴＳＰＫ）を長く設定することが望ましい。
　この構成によれば、所定リーン空燃比よりリーン側の空燃比範囲において、空燃比が増加するほど、放電開始時期を進角させるとともに放電継続時間を長く設定する制御が行われ、空燃比の変更に対応して安定した燃焼を実現できる。
　また前記燃焼室内において、吸入された混合気の流動を生成する流動生成手段（２ａ，４）をさらに備えることが望ましい。
　この構成によれば、燃焼室内において、吸入された混合気の流動が生成されるので、点火プラグの放電継続時間の設定と混合気流動とによって強力な初期火炎核を形成し、高効率の燃焼を実現することが可能となる。
　また前記均質希薄混合気形成手段は、前記機関の吸気弁（２１）の閉弁期間において前記燃料噴射弁（６）による第１燃料噴射（ＦＩ１）を実行するとともに、前記吸気弁の開弁期間において前記燃料噴射弁による第２燃料噴射（ＦＩ２）を実行することが望ましい。
　この構成によれば、吸気弁の閉弁期間における第１燃料噴射及び開弁期間における第２燃料噴射が行われるので、第１燃料噴射によって吸気通路内において均質度の高い希薄混合気を形成し、その後の吸気弁開弁期間において第２燃料噴射を行うことにより、燃焼室内においてさらに均質度を高めた希薄混合気を形成することができる。
　また前記所定リーン空燃比（ＡＦＬ１）は、前記燃焼室から排出されるＮＯｘ量が許容上限値以下となるように設定されることが望ましい。
　この構成によれば、所定リーン空燃比は、燃焼室から排出されるＮＯｘ量が許容上限値以下となるように設定されるので、所定リーン空燃比よりリーン側の空燃比範囲に空燃比を制御することによって、ＮＯｘ排出量を許容上限値以下に確実に低減できる。
　また前記機関の排気通路には、白金を含む三元触媒が設けられており、前記機関の始動直後において前記三元触媒（１０）の昇温を促進するための第１昇温促進制御を、制御切換時期（ｔ１）まで実行する第１昇温促進制御手段と、前記三元触媒（１０）の昇温を促進するための第２昇温促進制御を、前記制御切換時期（ｔ１）後に実行する第２昇温促進制御手段とを備え、前記第１昇温促進制御手段は、前記機関の吸入空気量を増加させ、前記混合気の空燃比（ＡＦ）を理論空燃比よりリーン側の第１リーン空燃比（ＡＦＴＲＡ１）に制御するとともに前記点火プラグの放電開始時期（ＣＡＩＧ）を最適点火時期より遅角側の所定遅角点火時期（ＣＡＴＲＡ１）に設定することによって前記第１昇温促進制御を実行し、前記第２昇温促進制御手段は、前記空燃比（ＡＦ）を前記第１リーン空燃比（ＡＦＴＲＡ１）よりさらにリーン側の第２リーン空燃比（ＡＦＴＲＡ２）に制御し、前記放電開始時期（ＣＡＩＧ）を前記所定遅角点火時期（ＣＡＴＲＡ１）よりさらに遅角するとともに、前記点火プラグの放電継続時間（ＴＳＰＫ）を増加させることが望ましい。
　この構成によれば、機関の始動直後において三元触媒の昇温を促進するための第１昇温促進制御が制御切換時期まで実行され、制御切換時期後は、三元触媒の昇温を促進するための第２昇温促進制御が実行される。第１昇温促進制御では、機関の吸入空気量を増加し、空燃比を理論空燃比よりリーン側の第１リーン空燃比に制御するとともに点火プラグの放電開始時期を最適点火時期より遅角側の所定遅角点火時期に設定する制御が行われ、第２昇温促進制御では、空燃比を第１リーン空燃比よりさらにリーン側の第２リーン空燃比に制御し、放電開始時期を所定遅角点火時期よりさらに遅角するとともに、点火プラグの放電継続時間を増加させる制御が行われる。白金を含む三元触媒は、空燃比を従来の触媒昇温促進制御における設定空燃比（例えば「１６」）よりさらにリーン側（例えば「２２」程度）に設定することによって、より低い温度で活性化可能であり、三元触媒の温度がある程度高くなる制御切換時期以後において第２昇温促進制御を行うことによって、三元触媒の活性化を早めることができる。したがって、空燃比をよりリーン化すること及び触媒促進制御の実行時間を短縮することによって、燃費を向上させることができる。
　また前記三元触媒の温度（ＴＣＡＴ）と相関のある触媒温度パラメータ（ＴＣＡＴ）を取得する温度パラメータ取得手段を備え、前記制御切換時期（ｔ１）は、前記触媒温度パラメータ（ＴＣＡＴ）が所定温度（ＴＣＡＴＬ）に達する時期であることが望ましい。
　この構成によれば、制御切換時期は触媒温度パラメータが所定温度に達する時期に設定とされる。第２昇温促進制御が有効となるのは、三元触媒の温度が所定温度に達した時点以後であるため、触媒温度パラメータが所定温度を超えた時点から第２昇温促進制御を実行することによって、顕著な昇温促進効果が得られる。
　また前記第２昇温促進制御手段は、前記触媒温度パラメータ（ＴＣＡＴ）が高くなるほど前記空燃比（ＡＦ）を減少させ、前記放電開始時期（ＣＡＩＧ）を進角させるとともに前記放電継続時間（ＴＳＰＫ）を減少させることが望ましい。
　この構成によれば、触媒温度パラメータが高くなるほど空燃比を減少させ、放電開始時期を進角させるとともに放電継続時間を減少させる制御が行われる。白金を含む三元触媒は、触媒温度が高くなると、空燃比がより理論空燃比に近いほど浄化性能が高くなる特性を有するので、触媒温度パラメータが高くなるほど空燃比を減少させることによって、高い浄化性能を得ることができる。また、空燃比を減少させることによって放電開始時期の進角及び放電継続時間の短縮を行っても安定した燃焼が得られるので、放電開始時期を可能な限り進角させるとともに放電継続時間を減少させることによって機関出力を増加させ、エネルギ効率を高めることができる。
　また前記第２昇温促進制御手段は、前記第２昇温促進制御の開始時は、前記混合気の流動の強度を比較的高く制御し、前記空燃比を前記第１リーン空燃比（ＡＦＴＲＡ１）近傍まで減少させた時点（ｔ２）から前記流動の強度を徐々に減少させることが望ましい。
　この構成によれば、第２昇温促進制御の開始時は、流動の強度が比較的高くなるように制御され、空燃比が第１リーン空燃比近傍まで減少させた時点から流動の強度を徐々に減少させる制御が行われる。空燃比を減少させる制御によって、流動の強度を低下させても燃焼が不安定となることがなくなるので流動の強度を低下させて、燃焼時の熱損失を低減し、熱効率の向上を図ることができる。
本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 吸気通路に設けられるタンブル流動制御弁（４）の配置を説明するための図である。 １つの気筒に対応する点火回路ユニット（７）の構成を示す回路図である。 燃料噴射弁（６）によって噴射される燃料の噴射状態を説明するための図である。 燃料噴射弁（６）の開弁時期、開弁時間（ＴＦＩ）、及び開弁時のリフト量（ＬＦＴ）を示す図である。 空燃比（ＡＦ）と排気中のＮＯｘ濃度（ＣＮＯｘ）との関係を示す図である。 圧縮行程及び燃焼行程における筒内圧（ＰＣＹＬ）の推移を示す図である。 超希薄混合気の目標空燃比（ＡＦＣＭＤ）に応じて点火プラグの放電開始時期（ＣＡＩＧ）及び放電継続時間（ＴＳＰＫ）を設定するテーブルを示す図である。 空燃比（ＡＦ）と三元触媒の活性化温度（ＴＡＣＴ）との関係を示す図である。 三元触媒の温度（ＴＣＡＴ）と、ＨＣ浄化率（ηＨＣ）との関係を示す図である。 三元触媒の昇温促進制御処理のフローチャートである。 図１１の処理で参照されるテーブルを示す図である。 図１１の昇温促進制御の動作例を示すタイムチャートである。
　以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の構成を示す図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気通路２の途中にはスロットル弁３が配置されている。吸気通路２のスロットル弁３の下流側には、燃料噴射弁６が各気筒に対応して設けられており、その作動は電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５により制御される。
　図２に示すように、吸気通路２の、吸気弁２１の直ぐ上流側には、隔壁２ａと、隔壁２ａによって形成される一方の流路に配置されたタンブル流動制御弁４とが設けられており、タンブル流動制御弁４はアクチュエータ４ａによって開閉駆動可能に構成されている。アクチュエータ４ａはＥＣＵ５に接続されており、その作動はＥＣＵ５によって制御される。タンブル流動制御弁４によって、燃焼室１ａ内に混合気のタンブル流動が生成される。
　エンジン１の各気筒には点火プラグ８が装着されており、点火プラグ８は点火回路ユニット７を介してＥＣＵ５に接続されている。ＥＣＵ５は、後述するように点火プラグ８における放電開始時期ＣＡＩＧ及び放電継続時間ＴＳＰＫの制御を行う。
　ＥＣＵ５には、エンジン１の吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ１１、吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ１２、スロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ１３、吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ１４、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１５、及び図示しない他のセンサが接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ５に供給される。
　ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１６が接続されており、クランク軸の回転角度に応じたパルス信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１６は、クランク角度位置を示す複数のパルス信号を出力するものであり、このパルス信号は、燃料噴射時期、点火時期（点火プラグ８の放電開始時期）等の各種タイミング制御、及びエンジン回転数ＮＥの検出に使用される。
　排気通路９には排気浄化用の三元触媒１０が設けられている。三元触媒１０には、三元触媒１０の温度（以下「触媒温度」という）ＴＣＡＴを検出する触媒温度センサ１８が装着されており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。三元触媒１０の上流側であって各気筒に連通する排気マニホールドの集合部より下流側には、比例型酸素濃度センサ１７（以下「ＬＡＦセンサ１７」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１７は排気中の酸素濃度（空燃比ＡＦ）にほぼ比例した検出信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。
　ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６、点火回路ユニット７、アクチュエータ４ａなどに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。
　燃料噴射弁６による燃料噴射量は、吸入空気流量ＧＡＩＲに応じて算出される基本燃料量を、ＬＡＦセンサ１７により検出される空燃比ＡＦに応じて算出される空燃比補正係数ＫＡＦによって補正することによって制御される。空燃比補正係数ＫＡＦは、検出される空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦＣＭＤと一致するように算出される。
　図３は、１つの気筒に対応する点火回路ユニット７の構成を示す回路図であり、点火回路ユニット７は、一次コイル７１ａ及び二次コイル７１ｂからなる第１コイル対７１と、一次コイル７２ａ及び二次コイル７２ｂからなる第２コイル対７２と、バッテリ３０の出力電圧ＶＢＡＴを昇圧して昇圧電圧ＶＵＰを出力する昇圧回路７３と、一次コイル７１ａ，７２ａの通電制御を行うトランジスタＱ１，Ｑ２と、二次コイル７１ｂ，７２ｂと点火プラグ８との間に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２とを備えている。
　トランジスタＱ１，Ｑ２のベースはＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５によってオンオフ制御（一次コイルの通電制御）が行われる。２つの一次コイルの通電期間の一部を重複させてつつ交互に通電を行うことによって、点火プラグ８における放電の継続時間（放電継続時間）ＴＳＰＫをエンジン１の運転状態に応じて変更することができる。また一次コイルの最初の通電終了時期が放電開始時期ＣＡＩＧに相当し、放電開始時期ＣＡＩＧもエンジン１の運転状態に応じて変更可能である。
　燃料噴射弁６は、燃料を微粒化して噴射可能なものであり、ＳＭＤ（Sauter Mean Diameter：ザウター平均直径）が３５μｍ程度（燃圧３５０ｋＰａで噴射し、噴射口からの５０ｍｍ下におけるＳＭＤ）の特性を有し、弁の開度（リフト量）を少なくとも２段階に変更可能なものを使用する。図４（ａ）は、この燃料噴射弁６による燃料の噴射状態（噴射された燃料の拡散状態）を模式的に示し、図４（ｂ）は比較のために示す通常の燃料噴射弁による燃料の噴射状態を示す。通常の燃料噴射弁では、円錐状に分布する燃料の周辺部の燃料濃度が高くなるのに対し、燃料噴射弁６では微粒化した燃料の到達距離が短くなり、かつ拡散領域内における濃度分布の均質度が高く（濃度差が少なく）なる。
　図５は、燃料噴射弁６の開弁時期、開弁時間ＴＦＩ及び開弁時のリフト量ＬＦＴを示す図であり、横軸はクランク角度ＣＲＡである。本実施形態では、１燃焼サイクル内の圧縮行程で第１燃料噴射ＦＩ１を実行するとともに吸気行程で第２燃料噴射ＦＩ２を実行する。しかも第１燃料噴射ＦＩ１は、リフト量ＬＦＴ１が比較的大きく、かつ開弁時間ＴＦＩ１が比較的短い燃料噴射とし、第２燃料噴射ＦＩ２は、リフト量ＬＦＴ２をリフト量ＬＦＴ１より小さく、かつ開弁時間ＴＦＩ２を開弁時間ＴＦＩ１より長く設定した燃料噴射とする。第１及び第２燃料噴射ＦＩ１，ＦＩ２における合計の燃料噴射量が目標空燃比ＡＦＣＭＤに対応する燃料噴射量となるように、リフト量ＬＦＴ１，ＬＦＴ２及び開弁時間（燃料噴射時間）ＴＦＩ１，ＴＦＩ２が設定される。
　燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁６を、図５に示すように開弁作動させることにより、まず第１燃料噴射ＦＩ１によって吸気通路２内で比較的均質な混合気を形成し、さらに第２燃料噴射ＦＩ２を実行することによって、検出空燃比ＡＦを目標空燃比ＡＦＣＭＤと一致させるために必要とされる量の燃料を燃焼室に供給し、しかも燃焼室内における空燃比分布がほぼ一様な（均質度の高い）均質希薄混合気を形成することができる。
　なお、第１燃料噴射ＦＩ１は、対象気筒の圧縮行程において実行し、第２燃料噴射ＦＩ２は、その終了時期を吸気行程の終了時期の直前に設定することが望ましい。
　本実施形態では、暖機完了後の目標空燃比ＡＦＣＭＤは、例えば「２４」から「３５」程度の範囲（以下「超希薄空燃比範囲」という）に設定される。空燃比「２４」（所定空燃比ＡＦＬ１）は、エンジン１からのＮＯｘ排出量（排気中のＮＯｘ濃度）が許容上限値ＣＮＯｘＨＬ（例えば１２０ｐｐｍ）以下となるように設定される。空燃比「３５」は、必要なエンジン出力を得るための限界値として設定される空燃比である。
　図６は、空燃比ＡＦと排気中のＮＯｘ濃度ＣＮＯｘとの関係を示す図であり、空燃比ＡＦが「１６」以上の範囲では、空燃比ＡＦが増加するほど（リーン化するほど）、ＮＯｘ濃度ＣＮＯｘが低下する。したがって、所定空燃比ＡＦＬ１は、許容上限値ＣＮＯｘＨＬが低下するほど増加するように設定する必要がある。
　点火プラグ８における放電開始時期ＣＡＩＧは、超希薄空燃比範囲における目標空燃比ＡＦＣＭＤに対応して、上死点前５０度から１５度の範囲に設定され、放電継続時間ＴＳＰＫは均質希薄混合気を確実に着火させるべく、１．８～３ｍｓｅｃに設定される。このように放電継続時間ＴＳＰＫを設定したときの放電エネルギが１５０～６００ｍＪとなるように昇圧電圧ＶＵＰが設定されている。従来の火花点火による希薄混合気燃焼は、点火プラグ近傍の空燃比が相対的に小さくなるように燃焼室内の流動を生成することによって実現される成層混合気燃焼であるのに対し、本実施形態の均質希薄混合気燃焼は、放電継続時間ＴＳＰＫを比較的長く設定し、その放電継続時間ＴＳＰＫを確保できるように放電開始時期ＣＡＩＧは、成層混合気燃焼の点火時期（例えば８．０度）より進角側に設定されている。
　さらにエンジン１の幾何学的圧縮比（ピストンが下死点に位置するときの燃焼室容積と、上死点に位置するときの燃焼室容積との比）は、最低実効圧縮比が９．０程度となるように、通常の火花点火エンジンの幾何学的圧縮比より若干大きく設定されている。
　またタンブル流動制御弁４の開度を変更することによって、流速５～１５ｍ／ｓｅｃ程度（エンジン回転数ＮＥが１５００ｒｐｍであるとき流速）のタンブル流動を発生させるタンブル流動生成制御が行われる。
　放電継続時間ＴＳＰＫを比較的長く設定するとともに、燃焼室内にタンブル流動を生成することによって、強力な初期火炎核を形成し、その火炎核を成長させることによって、圧縮上死点における未燃混合気の温度を１０００度Ｋ以上の温度まで高めて、燃焼層流速度を支配する素反応を、過酸化水素が分解してＯＨラジカルを生成する反応に変化させ、圧縮上死点後において燃焼を確実に完結させることが可能となる。
　図７は、圧縮行程及び燃焼行程における筒内圧ＰＣＹＬの推移を示す図であり、実線Ｌ１が本実施形態に対応し、太い破線Ｌ２がＨＣＣＩ（均質混合気圧縮着火）燃焼に対応し、細い破線がストイキ燃焼（空燃比を理論空燃比に設定した場合の燃焼）に対応する。この図において、クランク角度ＣＲＡの０度が圧縮上死点に対応する。なお、ストイキ燃焼の場合の点火時期は、圧縮上死点より若干進角側（例えばクランク角度１０度以内の範囲）に設定される。
　本実施形態の均質希薄混合気の火花点火による燃焼によって、高効率の安定した燃焼が得られることが確認できる。
　また本実施形態では、エンジン１の暖機完了後は、エンジン１の要求トルクに応じて超希薄空燃比範囲内に目標空燃比ＡＦＣＭＤを設定し、目標空燃比ＡＦＣＭＤに応じて点火プラグ８の放電開始時期ＣＡＩＧ及び放電継続時間ＴＳＰＫを設定する。
　具体的には、放電開始時期ＣＡＩＧ（圧縮上死点からの進角量で定義される）は、図８（ａ）に示すように、目標空燃比ＡＦＣＭＤが増加するほど進角するように設定され、放電継続時間ＴＳＰＫは、図８（ｂ）に示すように目標空燃比ＡＦＣＭＤが増加するほど長くなるように設定される。図８に示すＡＦＬ１及びＡＦＬ２は、それぞれ例えば「２４」及び「３５」に設定される所定空燃比であり、図８（ａ）に示すＣＡＩＧ１，ＣＡＩＧ２は、それぞれ例えば「１５度」及び「５０度」に設定される所定進角量であり、図８（ｂ）に示すＴＳＰＫ１，ＴＳＰＫ２は、それぞれ例えば「１．８ｍｓｅｃ」及び「３ｍｓｅｃ」に設定される所定放電時間である。
　なお、放電開始時期ＣＡＩＧは、上記のように目標空燃比ＡＦＣＭＤに応じて設定するとともに、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど進角させることが望ましい。エンジン回転数ＮＥが高くなるほど、放電継続時間ＴＳＰＫに対応するクランク角度ＣＲＡは増加するので、放電開始時期ＣＡＩＧを進角させることによって、高回転状態においても必要な放電継続時間ＴＳＰＫを確保し、安定した燃焼を得ることができる。
　以上のように本実施形態によれば、超希薄空燃比の均質混合気を燃焼室内に形成し、確実に着火させて、燃焼を完結させることができるので、均質希薄混合気を制御性良好な火花点火火炎伝播燃焼させることが可能となり、高効率でかつＮＯｘ排出量が少ない燃焼を実現することができる。
　より具体的には、燃料噴射弁６によって微粒化された燃料が吸気通路２内に噴射されるので、比較的均質な希薄混合気が吸気通路２内において先ず形成され、さらに燃焼室１ａ内に吸入されることによって、より均質度の高い希薄混合気を形成することができる。また点火プラグ８における放電開始時期ＣＡＩＧ及び放電継続時間ＴＳＰＫが制御可能であるため、放電開始時期ＣＡＩＧ及び放電継続時間ＴＳＰＫを適切に設定することにより、すなわち、成層希薄混合気に点火する場合の放電開始時期より進角側に放電開始時期ＣＡＩＧを設定することによって、放電継続時間ＴＳＰＫを長く設定することを可能として均質希薄混合気を確実に着火させることができる。
　また図８に示す所定空燃比ＡＦＬ１からＡＦＬ２までの超希薄空燃比範囲において、目標空燃比ＡＦＣＭＤが増加するほど、点火プラグ８の放電開始時期ＣＡＩＧを進角させるとともに放電継続時間ＴＳＰＫを長く設定する制御が行われるので、目標空燃比ＡＦＣＭＤの変更に対応して安定した燃焼を実現できる。
　またタンブル流動制御弁４を用いて燃焼室内において混合気の流動が生成されるので、点火プラグ８の放電継続時間ＴＰＳＫの設定と混合気流動とによって、強力な初期火炎核、すなわち圧縮上死点における燃焼混合気温度を１０００度Ｋ以上に高めることができる初期火炎核を形成し、高効率の燃焼を実現することができる。すなわち、本実施形態では、燃焼室内の混合気流動は、点火プラグ近傍の空燃比を相対的に小さくするために生成されるものではなく、燃焼の完結をさせる強力な初期火炎核を形成するために生成されるものである。
　また吸気弁２１の閉弁期間における第１燃料噴射ＦＩ１によって吸気通路２内において均質度の高い希薄混合気を形成し、その後の吸気弁開弁期間において第２燃料噴射ＦＩ２を行うことにより、燃焼室１ａ内においてさらに均質度を高めた希薄混合気を形成することができる。
　また超希薄空燃比範囲の下限値である所定空燃比ＡＦＬ１は、燃焼室から排出されるＮＯｘ量が許容上限値以下となるように設定されるので、所定空燃比ＡＦＬ１よりリーン側の超希薄空燃比範囲に空燃比を制御することによって、ＮＯｘ排出量を許容上限値以下に確実に低減できる。
　本実施形態では、エンジン１の冷間始動直後において三元触媒１０の昇温促進制御を実行する。以下、その昇温促進制御を詳細に説明する。
　図９は、空燃比ＡＦと、三元触媒１０の活性化温度ＴＡＣＴとの関係を示す図であり、実線が本実施形態における白金を含む三元触媒１０に対応し、破線は比較のためにパラジウムを含む三元触媒の活性化温度ＴＡＣＴと、空燃比ＡＦとの関係を示す。活性化温度ＴＡＣＴは、排気中の炭化水素成分の浄化率（ＨＣ浄化率）が１０％となる温度として定義されている。
　図９によれば、パラジウムを含む三元触媒では、空燃比ＡＦが「１７」から「１８」程度の範囲で活性化温度ＴＡＣＴが最低となる（活性化が早まる）が、白金を含む三元触媒１０では、空燃比ＡＦを大きくするほど活性化温度ＴＡＣＴが低下することが確認できる。したがって、三元触媒１０の早期活性化のためには、空燃比「２０」から「２２」程度の希薄空燃比燃焼で昇温促進制御を行うことが有効である。
　図１０は三元触媒１０の温度、すなわち触媒温度ＴＣＡＴと、ＨＣ浄化率ηＨＣとの関係を示す図であり、各曲線Ｌ１１～Ｌ１５は、図中に示す空燃比ＡＦに対応する。この図から、触媒温度ＴＣＡＴが２５０℃程度では空燃比ＡＦが「２２．５」で高い浄化率が得られ、触媒温度ＴＣＡＴが上昇するに連れて、空燃比ＡＦを減少させることによって常に高い浄化率が得られることが確認できる。
　そこで本実施形態の昇温促進制御では、触媒温度ＴＣＡＴがある程度上昇した時点（例えば２２０℃まで上昇した時点）から、触媒温度ＴＣＡＴに応じて空燃比ＡＦを制御することにより、図１０に一点鎖線Ｌ１０で示すような触媒温度ＴＣＡＴとＨＣ浄化率ηＨＣとの関係を実現するようにしている。
　図１１は、上記昇温促進制御処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５において所定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に実行される。
　ステップＳ１１では、触媒温度ＴＣＡＴが所定上側温度ＴＣＡＴＨ（例えば３５０℃）より低いか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）、すなわち触媒温度ＴＣＡＴが十分高いときは、昇温促進制御は不要であるため直ちに処理を終了する。ステップＳ１１の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬ（例えば２２０℃）より高いか否かを判別する（ステップＳ１２）。エンジン１の冷間始動直後は、最初はこの答は否定（ＮＯ）となり、ステップＳ１３～Ｓ１６によって第１昇温促進制御を実行する。所定下側温度ＴＣＡＴＬは、上述した希薄空燃比燃焼による昇温促進制御（第２昇温促進制御）が有効となる最低温度に相当する。
　ステップＳ１３では、スロットル弁３の目標開度ＴＨＣＭＤを昇温促進アイドル開度ＴＨＦＩＤＬに設定し、エンジン１の吸入空気量を増量する。ステップＳ１４では、目標空燃比ＡＦＣＭＤを第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１（例えば「１６」）に設定し、ステップＳ１５では、点火プラグ８の放電開始時期ＣＡＩＧを最適点火時期より遅角側の第１所定時期ＣＡＴＲＡ１（例えば３度）に設定するとともに、放電継続時間ＴＳＰＫを第１所定時間ＴＴＲＡ１（例えば２．０ｍｓｅｃ（放電エネルギで１８０ｍＪ相当値））に設定する。ステップＳ１６では、タンブル流動制御弁４の開度指令値ＴＣＶＣＭＤを比較的小さい第１所定開度ＴＣＶＴＲＡ１に設定し、流動の強度が比較的高い状態に対応する開度設定とする。本実施形態では、放電開始時期ＣＡＩＧは、圧縮上死点からの進角量で定義される。また開度指令値ＴＣＶＣＭＤの増加は、タンブル流動の強度を低下させることに対応する。
　なお、目標開度ＴＨＣＭＤ、目標空燃比ＡＦＣＭＤ、放電継続時間ＴＳＰＫ、及び開度指令値ＴＣＶＣＭＤは、エンジン１の始動開始時における初期値から徐々に、上記設定値まで変更される。
　第１昇温促進制御によって触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬを超えると、ステップＳ１２の答が肯定（ＹＥＳ）となり、ステップＳ２１～Ｓ２４による第２昇温促進制御を実行する。
　ステップＳ２１では、触媒温度ＴＣＡＴに応じて図１２（ａ）に示すＡＦＣＭＤテーブルを検索し、目標空燃比ＡＦＣＭＤを設定する。ＡＦＣＭＤテーブルは、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬより低い範囲では、第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１に設定され、所定下側温度ＴＣＡＴＬ以上の範囲では、触媒温度ＴＣＡＴが高くなるほど、目標空燃比ＡＦＣＭＤが減少するように設定されている。図１２（ａ）の第２及び第３所定空燃比ＡＦＴＲＡ２，ＡＦＴＲＡ３は、例えばそれぞれ「２２．５」及び「１４．７」に設定される。
　ステップＳ２２では、目標空燃比ＡＦＣＭＤに応じて放電開始時期ＣＡＩＧ及び放電継続時間ＴＳＰＫを設定する。具体的には、目標空燃比ＡＦＣＭＤに応じて図１２（ｂ）に示すＣＡＩＧテーブルを検索し、放電開始時期ＣＡＩＧを算出するとともに、目標空燃比ＡＦＣＭＤに応じて図１２（ｃ）に示すＴＳＰＫテーブルを検索し、放電継続時間ＴＳＰＫを算出する。
　ＣＡＩＧテーブルは、目標空燃比ＡＦＣＭＤが増加するほど、放電開始時期ＣＡＩＧが減少するように設定されている。図１２（ｂ）の第２及び第３所定時期ＣＡＴＲＡ２，ＣＡＴＲＡ３は、例えばそれぞれ「０度」及び「１０度」に設定される。第２所定時期ＣＡＴＲＡ２は、最適点火時期より遅角側であって第１所定時期ＣＡＴＲＡ１よりさらに遅角側に設定される。
　ＴＳＰＫテーブルは、目標空燃比ＡＦＣＭＤが増加するほど放電継続時間ＴＳＰＫが増加するように設定されている。図１２（ｃ）の第２及び第３所定時間ＴＴＲＡ２，ＴＴＲＡ３は、例えばそれぞれ「５．０ｍｓｅｃ」及び「１．５ｍｓｅｃ」に設定される。
　ステップＳ２３では、目標空燃比ＡＦＣＭＤが第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１以下であるか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）であるときは直ちに処理を終了し、肯定（ＹＥＳ）であるときは、タンブル流動制御弁４の開度指令値ＴＣＶＣＭＤを第１所定開度ＴＣＶＴＲＡ１から第２所定開度ＴＣＶＴＲＡ２（＞ＴＣＶＴＲＡ１）に達するまで漸増する処理を行う（ステップＳ２４）。
　なお、第２昇温促進制御の開始当初は、目標空燃比ＡＦＣＭＤ、放電開始時期ＣＡＩＧ、及び放電継続時間ＴＳＰＫについては、第１昇温促進制御における設定値から、ステップＳ２１及びＳ２２で算出される最初の設定値まで徐々に変化させる過渡制御が行われる。
　図１３は、図１１の昇温促進制御の動作例を示すタイムチャートであり、図１３（ａ）は、エンジン１の始動時点（時刻ｔ０）からの触媒温度ＴＣＡＴ及び排気温度ＴＥＸＨの推移を示し、図１３（ｂ）～図１３（ｅ）は、それぞれ空燃比ＡＦ、放電継続時間ＴＳＰＫ、放電開始時期ＣＡＩＧ、及びタンブル流動制御弁４の開度指令値ＴＣＶＣＭＤの、時刻ｔ０から推移を示す。
　始動直後から第１昇温促進制御が実行され、空燃比ＡＦ、放電継続時間ＴＳＰＫ、放電開始時期ＣＡＩＧ、及び開度指令値ＴＣＶＣＭＤは、それぞれ第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１、第１所定時間ＴＴＲＡ１、第１所定時期ＣＡＴＲＡ１、及び第１所定開度ＴＣＶＴＲＡ１に設定される。
　時刻ｔ１に触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに達すると、第１昇温促進制御から第２昇温促進制御に移行する。第２昇温促進制御の開始当初においては、最初の設定値に徐々に移行する過渡制御が行われ、空燃比ＡＦ、放電継続時間ＴＳＰＫ、及び放電開始時期ＣＡＩＧは、それぞれ第２所定空燃比ＡＦＴＲＡ２、第２所定時間ＴＴＲＡ２、及び第２所定時期ＣＡＴＲＡ２に変更される。なお、開度指令値ＴＣＶＣＭＤは時刻ｔ２まで第１所定開度ＴＣＶＴＲＡ１に維持される。時刻ｔ２は、目標空燃比ＡＦＣＭＤが第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１まで減少した時点である（図１１，ステップＳ２３参照）。
　時刻ｔ３において触媒温度ＴＣＡＴが所定上側温度ＴＣＡＴＨに到達し、第２触媒昇温促進制御が終了する。第２昇温促進制御終了後は、エンジン運転状態に応じた目標空燃比ＡＦＣＭＤの設定を行う通常制御に移行する。
　以上のように本実施形態では、エンジン１の始動直後において三元触媒１０の昇温を促進するための第１昇温促進制御が、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに達する時刻ｔ１まで実行され、時刻ｔ１以後は第２昇温促進制御が実行される。第１昇温促進制御では、スロットル弁３の開度を増加させることによって吸入空気量を増加し、空燃比ＡＦを理論空燃比よりリーン側の第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１に制御するとともに点火プラグ８の放電開始時期ＣＡＩＧを最適点火時期より遅角側の第１所定時期ＣＡＴＲＡ１に設定する制御が行われ、第２昇温促進制御では、空燃比ＡＦを第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１よりさらにリーン側の第２所定空燃比ＡＦＴＲＡ２に制御し、放電開始時期ＣＡＩＧを第１所定時期ＣＡＴＲＡ１よりさらに遅角するとともに、点火プラグ８の放電継続時間ＴＳＰＫを増加させる制御が行われる。白金を含む三元触媒１０は、空燃比ＡＦを従来の触媒昇温促進制御における設定空燃比（例えば「１６」）よりさらにリーン側（例えば「２２」程度）に設定することによって、より低い温度で活性化可能であり、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに到達する時刻ｔ１以後において第２昇温促進制御を行うことによって、三元触媒１０の活性化を早めることができる。したがって、空燃比ＡＦをよりリーン化すること及び触媒促進制御の実行時間を短縮することによって、燃費を向上させることができる。
　また第２昇温促進制御が有効となるのは、三元触媒１０の温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに達した時点以後であるため、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬを超えた時点から第２昇温促進制御を実行することによって、顕著な昇温促進効果が得られる。
　また第２昇温促進制御では、触媒温度ＴＣＡＴが高くなるほど空燃比ＡＦを減少させ、放電開始時期ＣＡＩＧを進角させるとともに放電継続時間ＴＳＰＫを減少させる制御が行われる。白金を含む三元触媒１０は、触媒温度ＴＣＡＴが高くなると、空燃比ＡＦがより理論空燃比に近いほど浄化性能が高くなる特性を有するので、触媒温度ＴＣＡＴが高くなるほど空燃比ＡＦ（目標空燃比ＡＦＣＭＤ）を減少させることによって、高い浄化性能を得ることができる。また、空燃比ＡＦを減少させることによって放電開始時期ＣＡＩＧの進角及び放電継続時間ＴＳＰＫの短縮を行っても安定した燃焼が得られるので、放電開始時期ＣＡＩＧを可能な限り進角させるとともに放電継続時間ＴＳＰＫを減少させることによってエンジン出力を増加させ、エネルギ効率を高めることができる。
　また第２昇温促進制御の開始時は、タンブル流動制御弁４の開度を第１所定開度ＴＣＶＴＲＡ１に設定して流動の強度が比較的高くなるように制御され、空燃比ＡＦが第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１近傍まで減少させた時点から流動の強度を徐々に減少させる制御が行われる。空燃比ＡＦを減少させる制御によって、流動の強度を低下させても燃焼が不安定となることがなくなるので流動の強度を低下させて、燃焼時の熱損失を低減し、熱効率の向上を図ることができる。
　本実施形態では、点火回路ユニット７及び点火プラグ８が火花点火手段に相当し、隔壁２ａ及びタンブル流動制御弁４が流動生成手段に相当する。またＥＣＵ５が点火制御手段、空燃比制御手段、第１昇温促進制御手段、及び第２昇温促進制御手段を構成し、燃料噴射弁６及びＥＣＵ５が均質希薄混合気形成手段を構成し、触媒温度センサ１８が温度パラメータ取得手段を構成する。
　なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、検出される触媒温度ＴＣＡＴを触媒温度パラメータとして使用したが、触媒温度ＴＣＡＴに代えて以下のようなパラメータ、すなわち三元触媒１０の上流側に排気温度センサを配置し、その排気温度センサにより検出される排気温度ＴＥＸＨを触媒温度パラメータとして使用してもよい。そのような変形例では、排気温度センサが温度パラメータ取得手段を構成する。また例えば特開２０１２－７７７４０号公報に示される触媒温度推定手法を用いてエンジン１の運転状態に応じて推定触媒温度ＴＣＡＴＥを算出し、推定触媒温度ＴＣＡＴＥを触媒温度パラメータとして使用してもよい。
　また上述した実施形態では、第１昇温促進制御から第２昇温促進制御へ移行する制御切換時期（時刻ｔ１）を、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに到達した時点としたが、これに限るものではなく、例えばエンジン１の冷間始動開始時点からの経過時間が、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに到達すると推定される時間に達した時点、あるいは冷間始動開始時点からの燃料噴射量積算値が、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに到達すると推定される値に達した時点、すなわち触媒温度ＴＣＡＴが第２昇温促進制御が有効となる温度に達すると推定される時点を「制御切換時期」としてもよい。
　また上述した実施形態では流動生成手段として、タンブル流動を生成する機構を使用したが、スワール流動を生成する機構を採用してもよい。また、燃焼室１ａ及びピストン頂部の形状を、スキッシュ流動が生成されるように構成してもよい。また、点火回路ユニット７のコイル対は、１つの点火プラグに対応して２個設けるようにしたが、３個以上設けるようにしてもよい。
　また上述した実施形態では４気筒エンジンの例を示したが、本発明は気筒数に関わらず適用可能である。また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの燃焼制御装置にも適用が可能である。
　１　内燃機関
　２　吸気通路
　２ａ　隔壁（流動生成手段）
　４　タンブル流動制御弁（流動生成手段）
　５　電子制御ユニット（点火制御手段、空燃比制御手段、均質希薄混合気形成手段、第１及び第２昇温促進制御手段）
　６　燃料噴射弁（均質希薄混合気形成手段）
　７　点火回路ユニット（火花点火手段）
　８　点火プラグ（火花点火手段）
　１０　三元触媒
　１８　触媒温度センサ（温度パラメータ取得手段）
　１９　アクチュエータ
　ＡＦＣＭＤ　目標空燃比
　ＣＡＩＧ　放電開始時期
　ＴＳＰＫ　放電継続時間
　ＡＦＣＭＤ　目標空燃比

Claims (9)

  1. 　内燃機関の燃焼室内の混合気の火花点火を行う火花点火手段と、該火花点火手段を制御する点火制御手段と、前記燃焼室内の混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段とを備える、内燃機関の燃焼制御装置であって、
    　前記燃焼室内に均質かつ希薄な混合気を形成する均質希薄混合気形成手段を備え、
    　前記火花点火手段は、点火プラグと、該点火プラグに放電を発生させるための複数の点火コイル対とを備え、前記点火プラグにおける放電の開始時期及び継続時間を変更可能なものであり、
    　前記均質希薄混合気形成手段は、燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁を用いて、前記機関の吸気通路内に燃料を噴射し、
    　前記空燃比制御手段は、前記空燃比を理論空燃比よりリーン側の所定リーン空燃比よりさらにリーン側の空燃比に制御し、
    　前記点火制御手段は、前記点火プラグにおける放電開始時期及び前記放電継続時間を制御し、前記放電開始時期を、前記点火プラグ近傍における混合気の空燃比が相対的に小さくなるように形成される成層希薄混合気に点火する場合の放電開始時期より進角側に設定することを特徴とする燃焼制御装置。
  2. 　前記点火制御手段は、前記所定リーン空燃比よりリーン側の空燃比範囲において、前記空燃比が増加するほど、前記放電開始時期を進角させるとともに前記放電継続時間を長く設定する請求項１の燃焼制御装置。
  3. 　前記燃焼室内に吸入された混合気の流動を生成する流動生成手段をさらに備える請求項１または２の燃焼制御装置。
  4. 　前記均質希薄混合気形成手段は、前記機関の吸気弁の閉弁期間において前記燃料噴射弁による第１燃料噴射を実行するとともに、前記吸気弁の開弁期間において前記燃料噴射弁による第２燃料噴射を実行する請求項１から３の何れか１項の燃焼制御装置。
  5. 　前記所定リーン空燃比は、前記燃焼室から排出されるＮＯｘ量が許容上限値以下となるように設定される請求項１から４の何れか１項の燃焼制御装置。
  6. 　前記機関の排気通路には、白金を含む三元触媒が設けられており、
    　前記機関の始動直後において前記三元触媒の昇温を促進するための第１昇温促進制御を、制御切換時期まで実行する第１昇温促進制御手段と、
    　前記三元触媒の昇温を促進するための第２昇温促進制御を、前記制御切換時期後に実行する第２昇温促進制御手段とをさらに備え、
    　前記第１昇温促進制御手段は、前記機関の吸入空気量を増加させ、前記混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側の第１リーン空燃比に制御するとともに前記点火プラグの放電開始時期を最適点火時期より遅角側の所定遅角点火時期に設定することによって前記第１昇温促進制御を実行し、
    　前記第２昇温促進制御手段は、前記空燃比を前記第１リーン空燃比よりさらにリーン側の第２リーン空燃比に制御し、前記放電開始時期を前記所定遅角点火時期よりさらに遅角するとともに、前記点火プラグの放電継続時間を増加させる請求項１の燃焼制御装置。
  7. 　前記三元触媒の温度と相関のある触媒温度パラメータを取得する温度パラメータ取得手段を備え、
    　前記制御切換時期は、前記触媒温度パラメータが所定温度に達する時期である請求項６の燃焼制御装置。
  8. 　前記第２昇温促進制御手段は、前記触媒温度パラメータが高くなるほど前記空燃比を減少させ、前記放電開始時期を進角させるとともに前記放電継続時間を減少させる請求項６または７の燃焼制御装置。
  9. 　前記燃焼室内に吸入された混合気の流動を生成する流動生成手段をさらに備え、
    　前記第２昇温促進制御手段は、前記第２昇温促進制御の開始時は、前記流動の強度を比較的高く制御し、前記空燃比を前記第１リーン空燃比近傍まで減少させた時点から前記流動の強度を徐々に低下させる請求項６から８の何れか１項の燃焼制御装置。
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