JP2015169171A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼室内において均質希薄混合気を適切に形成し、均質希薄混合気の火花点火燃焼を確実に実現することができる内燃機関の燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】 燃料噴射弁６によって微粒化された燃料を吸気通路２内に噴射する。吸気弁２１の閉弁期間における第１燃料噴射ＦＩ１及び開弁期間における第２燃料噴射ＦＩ２を行い、第２燃料噴射時間ＴＦＩ２を第１燃料噴射時間ＴＦＩ１より長く設定するとともに、第２燃料噴射ＦＩ２における第２リフト量ＬＦＴ２を第１燃料噴射ＦＩ１における第１リフト量ＬＦＴ１より小さく設定する。第１燃料噴射ＦＩ１によって燃焼室１ａ内に吸入される混合気のうち最初に吸入される混合気を比較的均質度の高いものとし、その後の吸気弁開弁期間において第２燃料噴射ＦＩ２を行うことで、混合気全体としての均質度を高める。
【選択図】 図５

Description

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。

非特許文献１において提案された均質希薄混合気を火花点火によって確実に燃焼させるためには、燃焼室内における混合気の均質度を高くすることが必要である。このような混合気の均質化に関連する技術として、特許文献２には、１つの気筒に対応して吸気ポート及び吸気弁を２つ設け、２つの吸気ポートにそれぞれ燃料噴射弁を配置し、一方の燃料噴射弁を吸気弁の閉弁中に開弁作動させ、他方の燃料噴射弁を吸気弁の開弁中に開弁作動させることによって、噴射された燃料を確実に霧化させる技術が示されている。

特開２００２−２５６９２７号公報 特開２０１２−２２９６５３号公報

自動車技術会学術講演会前刷集, No.121-12(2012/10)

特許文献２が示す制御装置では、１つの気筒に対応して吸気ポート及び吸気弁を２つ設けることが、噴射された燃料の霧化促進のための主たる手段であるため、吸気弁の閉弁中の燃料噴射と開弁中の燃料噴射とに分割した燃料噴射方法の具体的な内容（それぞれの燃料噴射時間の設定など）は示されていない。そのため、均質度の高い混合気を形成する上では、特許文献２に示された手法を単純に適用するのみでは不十分であり、改善すべき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、燃焼室内において均質希薄混合気を適切に形成し、均質希薄混合気の火花点火燃焼を確実に実現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請求項１に記載の発明は、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において、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、前記均質希薄混合気形成手段は、燃料を微粒化して噴射可能であって、かつ弁リフト量（ＬＦＴ）を変更可能な燃料噴射弁（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（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）を実行し、前記第２燃料噴射の第２燃料噴射時間（ＴＦＩ２）は、前記第１燃料噴射の第１燃料噴射時間（ＴＦＩ１）より長く設定され、前記第２燃料噴射の第２リフト量（ＬＦＴ２）は前記第１燃料噴射の第１リフト量（ＬＦＴ１）より小さく設定されることを特徴とする。

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る。さらに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、第２燃料噴射時間が第１燃料噴射時間より長く設定され、第２リフト量は第１リフト量より小さく設定されるので、燃焼室内に吸入される混合気のうち最初に吸入される初期吸入混合気を比較的均質度の高いものとし、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、初期吸入混合気に続いて吸入される混合気の均質度を高めることができ、燃焼室内の希薄混合気全体の均質度を高めることができる。したがって、火花点火手段を適切に制御することによって均質希薄混合気の確実な点火及び点火後の安定した燃焼を実現することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記空燃比制御手段は、前記機関の運転状態及び目標空燃比（ＡＦＣＭＤ）に応じて総燃料噴射量（ＱＦＵＥＬ）を算出し、前記均質希薄混合気形成手段は、前記機関の吸気弁の温度と相関のある温度パラメータ（ＴＶＬＶＥ）を取得する温度パラメータ取得手段と、前記温度パラメータ（ＴＶＬＶＥ）に応じて前記第１燃料噴射（ＦＩ１）における第１燃料噴射量（ＱＦＩ１）を算出する第１燃料噴射量算出手段と、前記総燃料噴射量（ＱＦＵＥＬ）から前記第１燃料噴射量（ＱＦＩ１）を減算することにより前記第２燃料噴射における第２燃料噴射量（ＱＦＩ２）を算出する第２燃料噴射量算出手段とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、機関の運転状態及び目標空燃比に応じて総燃料噴射量が算出され、機関の吸気弁の温度と相関のある温度パラメータに応じて第１燃料噴射量が算出され、総燃料噴射量から第１燃料噴射量を減算することにより第２燃料噴射量が算出される。第１燃料噴射によって噴射された燃料は、吸気弁が開弁するまで吸気通路内に留まるため、吸気弁温度と相関のある温度パラメータが高くなるほど気化し易くなる。したがって、第１燃料噴射量を温度パラメータに応じて算出することにより、特に機関の暖機運転中に、吸気弁の閉弁期間における第１燃料噴射量を気化可能な適量に設定することができ、吸気弁の開弁期間における第２燃料噴射により噴射される燃料とともに、燃焼室内に均質度の高い混合気を形成し、未燃燃料成分や煤の排出量を低減することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記第１燃料噴射量算出手段は、前記温度パラメータ（ＴＶＬＶＥ）が所定温度（ＴＶＬ）より低いときは、前記第１燃料噴射量（ＱＦＩ１）を「０」に設定し、前記温度パラメータ（ＴＶＬＶＥ）が前記所定温度（ＴＶＬ）以上であるときは、前記温度パラメータ（ＴＶＬＶＥ）が高くなるほど前記第１燃料噴射量（ＱＦＩ１）を増加させることを特徴とする。

この構成によれば、温度パラメータが所定温度より低いときは、第１燃料噴射量が「０」に設定され、温度パラメータが所定温度以上であるときは、温度パラメータが高くなるほど第１燃料噴射量を増加させるように制御されるので、吸気弁の閉弁期間において噴射された燃料の気化が適切に行われ、機関運転状態に対応して比較的均質度の高い混合気を吸気通路内で形成することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記第１燃料噴射量算出手段は、前記機関の運転状態に応じて前記第１燃料噴射量（ＱＦＩ１）の上限値（ＱＦＩ１ＨＬ）を算出し、前記第１燃料噴射量を前記上限値以下に制限することを特徴とする。

この構成によれば、機関の運転状態に応じて第１燃料噴射量の上限値が算出され、第１燃料噴射量が上限値以下となるようにリミット処理が行われるので、第１燃料噴射量が第２燃料噴射量と比較して大きくなり過ぎることが防止され、吸気弁の開弁中に噴射される第２燃料噴射量が相対的に過少となって、燃焼室内の混合気の均質度が低下することを防止できる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、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とを特徴とする。

この構成によれば、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。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、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を特徴とする。

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。

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。 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。 燃料噴射弁（６）による燃料噴射量を算出する処理のフローチャートである。 図８の処理で参照されるテーブルを示す図である。 空気及び噴射された燃料が燃焼室に吸入される過程を模式的に示す図である。 エンジン１の冷間始動時における制御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（例えばエンジン１により駆動される車両のアクセルペダル操作量ＡＰを検出するアクセルセンサ、車速センサなど）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に応じた空燃比補正係数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」（リーン側所定空燃比）は、エンジン１からのＮＯｘ排出量が許容上限値（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。

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、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６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７（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７（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７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７（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７（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。

図８は、上述した第１燃料噴射ＦＩ１における第１燃料噴射量ＱＦＩ１及び第２燃料噴射における第２燃料噴射量ＱＦＩ２を算出する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５において所定クランク角度（例えば１８０度）毎に実行される。この処理では、吸気弁２１の温度と相関のある温度パラメータとして、推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥを使用する。またエンジン１の要求トルクＴＲＱＥは、検出されるアクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出される。

ステップＳ１１では、エンジン運転状態及び目標空燃比ＡＦＣＭＤに応じて公知の手法で総燃料噴射量ＱＦＵＥＬを算出する。ステップＳ１２では、エンジン運転状態に応じて吸気弁２１の温度推定値である推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥを算出する。推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥは、例えば特開２００７−６４００８号公報に示される手法を用いて、エンジン１の吸入空気流量ＧＡＩＲ、エンジン回転数ＮＥ、エンジン冷却水温ＴＷ、及び目標空燃比ＡＦＣＭＤに応じて算出される。

ステップＳ１３では、エンジン１の要求トルクＴＲＱＥ及び推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥに応じて第１燃料噴射量ＱＦＩ１を算出する。具体的には、図９に示すＱＦＩ１Ｂテーブルを検索して基本値ＱＦＩ１Ｂを算出し、基本値ＱＦＩ１Ｂにトルク係数ＫＴＲＱを乗算することにより、第１燃料噴射量ＱＦＩ１を算出する。トルク係数ＫＴＲＱは、エンジン１の要求トルクＴＲＱＥにほぼ比例するように設定され、エンジン１のアイドル運転状態では「０」に設定される。ＱＦＩ１Ｂテーブルは、推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥが第１所定温度ＴＶＬ（例えば７０℃）より低いときは、基本値ＱＦＩ１Ｂが「０」に設定され、第１所定温度ＴＶＬ以上の範囲では推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥが高くなるほど、基本値ＱＦＩ１Ｂが増加するように設定されている。なお、図９に示す第２所定温度ＴＶＭ及び第３所定温度ＴＶＨは、それぞれ例えば１００℃及び１５０℃に設定される。

ＱＦＩ１Ｂテーブルの設定は、吸気弁２１の温度が高くなると、燃料噴射弁６によって吸気弁２１の閉弁中の噴射された燃料が気化し易くなることを考慮したものである。このように、ＱＦＩ１Ｂテーブルを設定することにより、吸気弁２１の閉弁期間において噴射された燃料の気化が適切に行われ、エンジン運転状態に対応して均質度の比較的高い混合気を吸気通路内で形成することが可能となる。

ステップＳ１４では、エンジン１の要求出力に応じて第１燃料噴射量ＱＦＩ１の上限値ＱＦＩ１ＨＬを算出する。具体的には、要求トルクＴＲＱＥが増加するほど増加するように設定される上限基本値ＱＦＩ１ＨＬＢに、回転数補正係数ＫＮＥを乗算することにより、上限値ＱＦＩ１ＨＬを算出する。エンジン回転数ＮＥが高くなるほど、噴射された燃料が気化するために許容される時間が短くなることから、回転数補正係数ＫＮＥはエンジン回転数ＮＥが高くなるほど減少するように設定される。

ステップＳ１５ではステップＳ１３で算出した第１燃料噴射量ＱＦＩ１が上限値ＱＦＩ１ＨＬより大きいか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちにステップＳ１７に進み、肯定（ＹＥＳ）であるときは、第１燃料噴射量ＱＦＩ１を上限値ＱＦＩ１ＨＬに設定して（ステップＳ１６）、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７では、総燃料噴射量ＱＦＵＥＬから第１燃料噴射量ＱＦＩ１を減算することにより、第２燃料噴射量ＱＦＩ２を算出する。第１及び第２燃料噴射量ＱＦＩ１，ＱＦＩ２に応じて、図５に示す燃料噴射時間ＴＦＩ１，ＴＦＩ２が算出される。

ステップＳ１３〜Ｓ１６によって、エンジン運転状態に応じて第１燃料噴射量ＱＦＩ１及びその上限値ＱＦＩ１ＨＬが算出され、第１燃料噴射量ＱＦＩ１を上限値ＱＦＩ１ＨＬ以下に制限するリミット処理が行われるので、第１燃料噴射量ＱＦＩ１が第２燃料噴射量ＱＦＩ２と比較して大きくなり過ぎることが防止される。

図１０は、空気及び噴射された燃料が吸入される過程を模式的に示す図であり、図１０（ａ）が本実施形態に対応し、図１０（ｂ）は吸気弁の開弁中に１回のみ燃料噴射を行う従来例を比較のために示す。これらの図において、実線のハッチングを付して示す領域は、空気のみの領域または燃料濃度の低い領域に対応し、破線のハッチングを付して示す領域は、燃料濃度の高い領域に対応する。

図１０（ａ）において、時刻ｔ１は第１燃料噴射ＦＩ１が行われた直後の時点に対応し、時刻ｔ２は吸気弁２１が開弁され、開弁期間の後半で第２燃料噴射が行われた直後の時点に対応し、時刻ｔ３は吸気弁の閉弁直後の時点に対応する。この図に示すように本実施形態では、時刻ｔ３において燃料濃度の高い領域が混合気中に全体的に分布する。

図１０（ｂ）において、時刻ｔ２ａは吸気弁の開弁期間の前半において燃料噴射が行われた直後の時点に対応し、時刻ｔ３は図１０（ａ）の時刻ｔ３と同一である。１回の燃料噴射では、この図に示すように燃料濃度の高い領域に偏りが発生することが確認できる。

図１１は、エンジン１の冷間始動時における制御動作例を示すタイムチャートであり、図１１（ａ）はエンジン冷却水温ＴＷの推移を示し、図１１（ｂ）は第１及び第２燃料噴射量比率ＲＦＩ１，ＲＦＩ２の推移を示す。第１及び第２燃料噴射量比率ＲＦＩ１，ＲＦＩ２は下記式で定義される。
ＲＦＩ１＝ＱＦＩ１／ＱＦＵＥＬ
ＲＦＩ２＝ＱＦＩ２／ＱＦＵＥＬ

運転開始（ｔ＝０）から時刻ｔ１１までは、第１燃料噴射量ＱＦＩ１が「０」に設定され、時刻ｔ１１において推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥが第１所定温度ＴＶＬに達した後は、徐々に増量される。したがって第１燃料噴射量比率ＲＦＩ１が増加するとともに第２燃料噴射量比率ＲＦＩ２が減少する。時刻ｔ１２以後は、第１燃料噴射量ＱＦＩ１は上限値ＱＦＩ１ＨＬに設定されるが、上限値ＱＦＩ１Ｈはエンジン運転状態に依存して変化するため、第１燃料噴射量ＱＦＩ１もエンジン運転状態に依存して変化している。

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。

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。すなわち、吸気弁２１の閉弁期間における第１燃料噴射ＦＩ１及び吸気弁２１の開弁期間における第２燃料噴射ＦＩ２が行われ、第２燃料噴射時間ＴＦＩ２が第１燃料噴射時間ＴＦＩ１より長く設定され、第２リフト量ＬＦＴ２は第１リフト量ＬＦＴ１より小さく設定されるので、燃焼室２１内に吸入される混合気のうち最初に吸入される初期吸入混合気を比較的均質度の高いものとし、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、初期吸入混合気に続いて吸入される混合気の均質度を高めることができ、燃焼室１ａ内の希薄混合気全体の均質度を高めることができる。したがって、点火プラグ８における放電（開始時期及び継続時間）を適切に制御することによって均質希薄混合気の確実な点火及び点火後の安定した燃焼を実現することができる。

またエンジン運転状態及び目標空燃比ＡＦＣＭＤに応じて総燃料噴射量ＱＦＵＥＬが算出され、吸気弁２１の温度と相関のある温度パラメータとしての推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥに応じて第１燃料噴射量ＱＦＩ１が算出され、総燃料噴射量ＱＦＵＥＬから第１燃料噴射量ＱＦＩ１を減算することにより第２燃料噴射量ＱＦＩ２が算出される。第１燃料噴射ＦＩ１によって噴射された燃料は、吸気弁２１が開弁するまで吸気通路２内に留まるため、吸気弁温度と相関のある推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥが高くなるほど気化し易くなる。したがって、第１燃料噴射量ＱＦＩ１を推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥに応じて算出することにより、特にエンジン１の暖機運転中に、吸気弁２１の閉弁期間における第１燃料噴射量ＱＦＩ１を気化可能な適量に設定し、吸気弁２１の開弁期間における第２燃料噴射ＦＩ２により噴射される燃料とともに、燃焼室１ａ内に均質度の高い混合気を形成して、未燃燃料成分や煤の排出量を低減することができる。

また推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥが第１所定温度ＴＶＬより低いときは、第１燃料噴射量ＱＦＩ１が「０」に設定され、推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥが第１所定温度ＴＶＬ以上であるときは、推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥが高くなるほど第１燃料噴射量ＱＦＩ１を増加させるように制御されるので、吸気弁２１の閉弁期間において噴射された燃料の気化が適切に行われ、エンジン運転状態に対応して比較的均質度の高い混合気を吸気通路内で形成することができる。

またエンジン運転状態に応じて第１燃料噴射量ＱＦＩ１の上限値ＱＦＩ１ＨＬが算出され、第１燃料噴射量ＱＦＩ１が上限値ＱＦＩ１ＨＬ以下となるようにリミット処理が行われるので、第１燃料噴射量ＱＦＩ１が第２燃料噴射量ＱＦＩ２と比較して大きくなり過ぎることが防止され、吸気弁２１の開弁中に噴射される第２燃料噴射量ＱＦＩ２が相対的に過少となって、燃焼室１ａ内の混合気の均質度が低下することを防止できる。

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が変更可能であるため、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、均質希薄混合気を確実に着火させることができる。

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。

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し、吸入空気流量センサ１１、クランク角度位置センサ１６、冷却水温センサ１５、及びＥＣＵ５が温度パラメータ取得手段を構成する。またＥＣＵ５が点火制御手段、空燃比制御手段、第１燃料噴射量算出手段、及び第２燃料噴射量算出手段を構成し、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吸気弁２１の温度に相関する温度パラメータとして推定吸気弁温度ＴＶＬＶＥを使用したが、吸気弁温度はエンジン冷却水温ＴＷとの相関性が最も高いので、エンジン冷却水温ＴＷを吸気弁温度に相関する温度パラメータとして使用するようにしてもよい。そのような変形例では、冷却水温センサ１５が温度パラメータ取得手段に相当する。

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
２ｂ 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、温度パラメータ取得手段）
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）
１１ 吸入空気流量センサ（温度パラメータ取得手段）
１５ 冷却水温センサ（温度パラメータ取得手段）
１６ クランク角度位置センサ（温度パラメータ取得手段）
ＱＦＩ１ 第１燃料噴射量
ＱＦＩ２ 第２燃料噴射量
ＱＦＵＥＬ 総燃料噴射量
ＱＦＩ１ＨＬ 上限値
ＴＶＬＶＥ 推定吸気弁温度（温度パラメータ）
ＣＡＩＧ 放電開始時期
ＴＳＰＫ 放電継続時間

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記第１燃料噴射量算出手段は、前記温度パラメータ（ＴＶＬＶＥ）が所定温度（ＴＶＬ）より低いときは、前記第１燃料噴射量（ＱＦＩ１）を「０」に設定し、前記温度パラメータ（ＴＶＬＶＥ）が前記所定温度（ＴＶＬ）以上であるときは、前記温度パラメータ（ＴＶＬＶＥ）が高くなるほど前記第１燃料噴射量（ＱＦＩ１）を増加させることを特徴とする。

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、温度パラメータ取得手段）
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）
１１ 吸入空気流量センサ（温度パラメータ取得手段）
１５ 冷却水温センサ（温度パラメータ取得手段）
１６ クランク角度位置センサ（温度パラメータ取得手段）
ＱＦＩ１ 第１燃料噴射量
ＱＦＩ２ 第２燃料噴射量
ＱＦＵＥＬ 総燃料噴射量
ＱＦＩ１ＨＬ 上限値
ＴＶＬＶＥ 推定吸気弁温度（温度パラメータ）
ＣＡＩＧ 放電開始時期
ＴＳＰＫ 放電継続時間

Claims (6)

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において、
   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、
   前記均質希薄混合気形成手段は、燃料を微粒化して噴射可能であって、かつ弁リフト量を変更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燃料噴射を実行し、前記第２燃料噴射の第２燃料噴射時間は、前記第１燃料噴射の第１燃料噴射時間より長く設定され、前記第２燃料噴射の第２リフト量は前記第１燃料噴射の第１リフト量より小さく設定されることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記空燃比制御手段は、前記機関の運転状態及び目標空燃比に応じて総燃料噴射量を算出し、
   前記均質希薄混合気形成手段は、
   前記機関の吸気弁の温度と相関のある温度パラメータを取得する温度パラメータ取得手段と、
   前記温度パラメータに応じて前記第１燃料噴射における第１燃料噴射量を算出する第１燃料噴射量算出手段と、
   前記総燃料噴射量から前記第１燃料噴射量を減算することにより前記第２燃料噴射における第２燃料噴射量を算出する第２燃料噴射量算出手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 前記第１燃料噴射量算出手段は、前記温度パラメータが所定温度より低いときは、前記第１燃料噴射量を「０」に設定し、前記温度パラメータが前記所定温度以上であるときは、前記温度パラメータが高くなるほど前記第１燃料噴射量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 前記第１燃料噴射量算出手段は、前記機関の運転状態に応じて前記第１燃料噴射量の上限値を算出し、前記第１燃料噴射量を前記上限値以下に制限することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
5. 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請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
6. 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ことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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