JP2016098794A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、自着火温度が比較的高い燃料を使用する内燃機関において、スモークの発生量を抑制しつつディーゼル燃焼を実現することを目的とする。
【解決手段】本発明では、圧縮工程中に火花点火によるプレ燃焼が行われる。その後、圧縮行程上死点前に、筒内噴射弁によるメイン噴射が実行される。これにより、プレ燃焼によって生じた火炎を起点として、メイン噴射によって噴射された燃料の燃焼が開始され、さらに燃料の自着火および拡散燃焼が生じる。そして、本発明では、内燃機関の機関負荷が所定負荷以下の運転領域においては、プレ燃焼のための燃料噴射を筒内噴射弁によるプレ噴射によって行う。また、内燃機関の機関負荷が所定負荷より高い運転領域においては、プレ燃焼のための燃料噴射をポート噴射弁によるポート噴射および筒内噴射弁によるプレ噴射によって行う。
【選択図】図９

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

燃焼室内の圧縮空気に対して燃料を直接噴射して該燃料を自着火させ拡散燃焼させる燃焼形態である、いわゆるディーゼル燃焼は、火花点火による燃焼と比べて熱効率が高い。近年、このようなディーゼル燃焼の利点をガソリンエンジンにおいても享受すべく、ガソリンの自着火および拡散燃焼による燃焼を成立させるための技術が開発されている。

例えば、特許文献１に開示の技術では、先ず、筒内噴射弁によって圧縮行程前半に第１の燃料噴射を行うことで燃焼室内全域にほぼ均質な混合気を形成する。そして、第１の燃料噴射によって形成された混合気に対し火花点火を行う。その後に第２の燃料噴射を行って噴射された燃料を燃焼させ、さらに、この燃焼による燃焼室内の温度および圧力上昇により残りの燃料を自着火させる。

また、特許文献２には、自着火温度が比較的高い天然ガス等を燃料としてディーゼル燃焼を実現させるための技術が開示されている。この特許文献２に開示の技術では、先ず、燃焼室内の所定の火花点火領域において圧縮行程の初期又は中期に燃料噴射を行うことで火花点火可能な混合気を形成する。そして、この火花点火領域に形成された混合気に対して圧縮行程上死点直前の時期に点火することで火花点火燃焼を行う。これによって、燃焼室内が天然ガスの自着火が可能な高温且つ高圧の状態となる。その後、高温高圧状態の燃焼室内に直接燃料を噴射して該燃料をディーゼル燃焼させる。

また、特許文献３には、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁と、気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁とを有し、気筒内に供給された燃料と空気との混合気を自着火によって燃焼させる内燃機関において、筒内噴射弁からの燃料噴射量を総燃料噴射量の３〜１１％に設定する技術が開示されている。

特開２００２−２７６４４２号公報 特開２００３−２５４１０５号公報 特開２０１１−２３６７９２号公報

ガソリンのように自着火温度が比較的高い燃料を用いてディーゼル燃焼を行う場合、機関負荷の上昇に従って燃焼室内への燃料噴射量が増加すると、局所的に燃料に対する酸素の量が不足した状態が生じ、その結果、スモークの発生量が増加する虞がある。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、自着火温度が比較的高い燃料を使用する内燃機関において、スモークの発生量を抑制しつつディーゼル燃焼を実現することを目的とする。

第一の発明では、圧縮工程中に火花点火によるプレ燃焼が行われる。その後、圧縮行程上死点前に、筒内噴射弁によるメイン噴射が実行される。これにより、プレ燃焼によって生じた火炎を起点として、メイン噴射によって噴射された燃料の燃焼が開始され、さらに
燃料の自着火および拡散燃焼が生じる。そして、本発明では、内燃機関の機関負荷が所定負荷以下の運転領域においては、プレ燃焼のための燃料噴射を筒内噴射弁によるプレ噴射によって行う。そして、内燃機関の機関負荷が所定負荷より高い運転領域においては、プレ燃焼のための燃料噴射を、ポート噴射弁によるポート噴射および筒内噴射弁によるプレ噴射によって行う。

なお、本発明において使用される、「プレ」、「メイン」の用語は、各燃料噴射または各燃焼の時間的な前後関係を表す表現にすぎず、以下に示す技術的意義を有するもの以外に限定解釈されるべきではない。また、以下においては、筒内噴射弁によるプレ噴射によって噴射された燃料を「プレ噴射燃料」と称し、筒内噴射弁によるメイン噴射によって噴射された燃料を「メイン燃料噴射」と称し、ポート噴射弁によるポート噴射によって噴射された燃料を「ポート噴射燃料」と称する場合もある。

より詳しくは、第一の発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射可能な筒内噴射弁と、内燃機関の吸気ポート内に燃料を噴射可能なポート噴射弁と、前記筒内噴射弁から噴射された噴霧が点火可能領域を通過し該噴霧に直接に点火可能となるように、該筒内噴射弁に対する相対位置が決定された点火装置と、内燃機関の機関負荷が所定負荷以下の運転領域において、圧縮行程中に前記筒内噴射弁によってプレ噴射を実行するとともに該プレ噴射によって形成されるプレ噴霧に対し前記点火装置によって点火を行うことで該プレ噴射によって噴射された燃料の一部を燃焼させて第１プレ燃焼を行う第１プレ燃焼部と、内燃機関の機関負荷が前記所定負荷より高い運転領域において、排気行程または吸気行程中に前記ポート噴射弁によってポート噴射を実行することで混合気を形成させるとともに、圧縮行程中に前記筒内噴射弁によってプレ噴射を実行することで該混合気中にプレ噴霧を形成させ、さらに、該プレ噴霧に対し前記点火装置によって点火を行うことで該第プレ噴射によって噴射された燃料の一部および該ポート噴射によって噴射された燃料の一部を燃焼させて第２プレ燃焼を行う第２プレ燃焼部と、前記第１プレ燃焼または前記第２プレ燃焼の発生後であり且つ圧縮行程上死点前の時期であって、前記第１プレ燃焼または前記第２プレ燃焼によって生じた火炎を起点として噴射燃料の燃焼が開始されるように設定されたメイン噴射時期に前記筒内噴射弁によるメイン噴射の実行を開始することで、燃料の自着火を発生させるとともに少なくとも該メイン噴射によって噴射された燃料の一部を拡散燃焼させてメイン燃焼を行うメイン燃焼部と、を備える。

本発明では、内燃機関の機関負荷が所定負荷以下の運転領域では、先ず、圧縮行程中における筒内噴射弁によるプレ噴射と、プレ噴射燃料により形成されたプレ噴霧への点火装置による点火とによって第１プレ燃焼が行われる。その後、圧縮行程上死点前にメイン噴射の実行が開始されることで、燃料の自着火および拡散燃焼（メイン燃焼）が生じる。なお、メイン噴射は、圧縮行程上死点前に実行が開始される噴射であるが、圧縮行程上死点以降までその実行が継続されてもよい。

ここで、プレ噴射、点火、およびメイン噴射の時期は、第１プレ燃焼によって生じた火炎を起点としてメイン噴射燃料の燃焼が開始されるように設定されている。そして、メイン噴射燃料の燃焼が開始されると、燃焼室内の温度および圧力が上昇することで、燃料の自着火が発生し、さらには少なくともメイン噴射燃料の一部が拡散燃焼することとなる。また、プレ噴射燃料のうち、点火装置による点火によって燃焼する燃料は一部であって、その多くは、メイン噴射の実行開始後に自着火または拡散燃焼によって燃焼する。したがって、プレ噴射燃料およびメイン噴射燃料のいずれも内燃機関の出力に寄与することとなる。そのため、熱効率の高いディーゼル燃焼を実現することが可能となる。

ここで、内燃機関の機関負荷が上昇すると、燃焼室内に供給する燃料を増量する必要がある。しかしながら、メイン噴射は、圧縮行程上死点近傍の燃焼室内の圧力が高い時に行
われるため、筒内噴射弁から噴射された燃料噴霧のペネトレーションが小さくなる。つまり、メイン噴射によって噴射された燃料噴霧は広範囲に広がり難い。そのため、メイン噴射燃料量が過剰に増量されると、メイン噴射燃料の噴霧の周囲に存在する酸素、即ち、メイン噴射燃料の燃焼に供される酸素の量が燃料に対して不足した状態となり、その結果、スモークの発生量が増加する虞がある。

また、上記のように、プレ噴射燃料の多くは点火装置による点火では燃焼せずに燃え残り、メイン噴射が実行される時にも未燃の状態で燃焼室内に存在している。そのため、メイン噴射燃料に代えて又はメイン噴射燃料とともにプレ噴射燃料が増量されると、メイン噴射が実行される時に燃焼室内に存在しているプレ噴射燃料の燃え残り量が増加することになる。しかしながら、プレ噴射燃料が過剰に増量されると、メイン噴射が実行された時に、燃焼室内においてプレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料とが重なり合った部分では、燃料濃度が過剰に高くなる場合がある。この場合、当該部分の周囲に存在する酸素、即ち、当該部分に存在する燃料の燃焼に供される酸素の量が燃料に対して不足した状態となり、その結果、スモークの発生量が増加する虞がある。

つまり、プレ噴射およびメイン噴射のいずれにおいても、その噴射量が過剰に増量されると、スモークの発生量が増加する虞がある。そこで、本発明では、内燃機関の機関負荷が所定負荷より高い運転領域では、プレ噴射のみを用いた第１プレ燃焼に代えて、ポート噴射弁によるポート噴射と筒内噴射弁によるプレ噴射とを併用する第２プレ燃焼を行う。ここでの所定負荷とは、一燃焼サイクル中における総燃料噴射量が比較的多く必要となる機関負荷であって、プレ噴射燃料量またはメイン噴射燃料量の増量に伴うスモークの発生量が過剰に増加することが懸念される機関負荷の閾値である。

第２プレ燃焼を行う際には、排気行程または吸気行程中にポート噴射弁によってポート噴射を実行する。つまり、ポート噴射は、吸気弁が閉弁状態の時に実行されてもよく、また、吸気弁が開弁状態の時に実行されてもよい。ポート噴射が実行されると、ポート噴射燃料によって、燃焼室内に混合気が形成されることになる。次に、圧縮行程中に筒内噴射弁によってプレ噴射を実行する。これにより、ポート噴射燃料によって形成された混合気中に、プレ噴射燃料によってプレ噴霧が形成されることになる。そして、このプレ噴霧に対し点火装置によって点火が行われる。この点火によりプレ噴射燃料の一部およびポート噴射燃料の一部が燃焼する。ここで、第２プレ燃焼では、第１プレ燃焼と同様、メイン燃料の燃焼のための火種となる火炎が形成される程度の燃焼が行われればよい。そのため、本発明では、ポート噴射燃料によって形成される混合気の空燃比が、点火装置によるプレ噴霧への点火によって生じる火炎の伝播により燃焼するポート噴射燃料がポート噴射燃料量のうちの一部に抑えられる空燃比となるように、ポート噴射燃料量が設定されている。

点火装置による点火によって生じた火炎伝播では燃焼せずに燃え残ったポート噴射燃料は、プレ噴射の燃え残りとともにメイン燃料噴射後の自着火または拡散燃焼によって燃焼する。これにより、メイン噴射燃料およびプレ噴射燃料に加えポート噴射燃料も内燃機関の出力に寄与することとなる。そのため、第１プレ燃焼に代えて第２プレ燃焼を行った場合でも、熱効率の高いディーゼル燃焼を実現することができる。

また、本発明に係る第２プレ燃焼においては、プレ噴射に加えてポート噴射を用いるために、プレ噴射のみを用いる第１プレ燃焼に比べて、プレ噴射燃料を減量することができる。さらに、燃焼室内に混合気を形成するポート噴射燃料は、メイン噴射燃料よりも燃焼室内においてより広範囲に分布している。そのため、メイン燃焼時において、ポート噴射燃料の燃焼に必要な酸素を十分に確保することができる。また、該ポート噴射燃料は、プレ噴射燃料の燃え残りよりも、燃焼室内においてさらに広範囲に分布することなる。そのため、メイン噴射燃料とポート噴射燃料とが重なった部分の燃料濃度は、メイン噴射燃料
とプレ噴射燃料（燃え残り）とが重なった部分の燃料濃度より低くなる。したがって、ポート噴射燃料は、メイン噴射燃料およびプレ噴射燃料のいずれと比べてもスモークの発生原因となり難い。

そのため、機関負荷が所定負荷よりも高い運転領域、すなわち、一燃焼サイクル中の総燃料噴射量が比較的多くなる運転領域では、第１プレ燃焼に代えて第２プレ燃焼を行うことで、スモークの発生量を抑制しつつディーゼル燃焼を実現することができる。

第二の発明では、プレ燃焼のための燃料噴射を、ポート噴射弁によるポート噴射のみによって行う。

より詳細には、第二の発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射可能な筒内噴射弁と、内燃機関の吸気ポート内に燃料を噴射可能なポート噴射弁と、前記筒内噴射弁から噴射された噴霧が点火可能領域を通過し該噴霧に直接に点火可能となるように、該筒内噴射弁に対する相対位置が決定された点火装置と、排気行程または吸気行程中に前記ポート噴射弁によってポート噴射を実行することで混合気を形成させるとともに、圧縮行程中に燃焼室内において該混合気に対し前記点火装置によって点火を行うことで該ポート噴射によって噴射された燃料の一部を燃焼させてプレ燃焼を行うプレ燃焼部と、前記プレ燃焼の発生後であり且つ圧縮行程上死点前の時期であって、前記プレ燃焼によって生じた火炎を起点として噴射燃料の燃焼が開始されるように設定されたメイン噴射時期に前記筒内噴射弁によるメイン噴射の実行を開始することで、燃料の自着火を発生させるとともに少なくとも該メイン噴射によって噴射された燃料の一部を拡散燃焼させてメイン燃焼を行うメイン燃焼部と、を備える。

本発明では、プレ燃焼を行う際に、排気行程または吸気行程中にポート噴射弁によってポート噴射を実行することで燃焼室内に混合気を形成する。このとき、ポート噴射は、吸気弁が閉弁状態の時に実行されてもよく、また、吸気弁が開弁状態の時に実行されてもよい。そして、ポート噴射燃料によって燃焼室内に形成された混合気に対して点火装置によって点火を行うことでプレ燃焼が行われる。なお、このプレ燃焼においても、メイン燃料の燃焼のための火種となる火炎が形成される程度の燃焼が行われればよい。そのため、ポート噴射燃料によって形成される混合気の空燃比が、点火装置による点火によって燃料が着火することで火炎は生じるが、該火炎の伝播ではポート噴射燃料の一部のみが燃焼する空燃比となるように、ポート噴射燃料量が設定されている。

点火装置による点火によって生じた火炎伝播では燃焼せずに燃え残ったポート噴射燃料は、プレ噴射の燃え残りとともにメイン燃料噴射後の自着火または拡散燃焼によって燃焼する。これにより、メイン噴射燃料に加えポート噴射燃料も内燃機関の出力に寄与することとなる。そのため、本発明に係るプレ燃焼を行った場合でも、熱効率の高いディーゼル燃焼を実現することができる。また、上述したように、ポート噴射燃料は、メイン噴射燃料のみならず、プレ噴射燃料と比べてもスモークの発生原因となり難い。

したがって、本発明によれば、ポート噴射のみを用いてプレ燃焼を行うことで、スモークの発生量を抑制しつつディーゼル燃焼を実現することができる。

また、本発明においては、前記プレ燃焼部を第２プレ燃焼部とし、前記プレ燃焼を第２プレ燃焼としてもよい。そして、本発明に係る内燃機関の制御装置は、圧縮行程中に前記筒内噴射弁によってプレ噴射を実行するとともに該プレ噴射によって形成されるプレ噴霧に対し点火装置によって点火を行うことで該プレ噴射によって噴射された燃料の一部を燃焼させて第１プレ燃焼を行う第１プレ燃焼部をさらに備えてもよい。この場合、内燃機関の機関負荷が所定負荷以下の運転領域では、第１プレ燃焼部が第１プレ燃焼を行い、内燃
機関の機関負荷が所定負荷より高い運転領域では、第２プレ燃焼部が第２プレ燃焼を行ってもよい。そして、メイン燃焼部が、第１プレ燃焼または第２プレ燃焼の発生後であり且つ圧縮行程上死点前の時期であって、第１プレ燃焼または第２プレ燃焼によって生じた火炎を起点として噴射燃料の燃焼が開始されるように設定されたメイン噴射時期に筒内噴射弁によるメイン噴射の実行を開始することで、メイン燃焼を行ってもよい。

これによれば、機関負荷が所定負荷よりも高い運転領域、すなわち、一燃焼サイクル中の総燃料噴射量が比較的多い運転領域では、第１プレ燃焼に代えて第２プレ燃焼を行うことで、スモークの発生量を抑制しつつディーゼル燃焼を実現することができる。また、機関負荷が所定負荷よりも低い運転領域、すなわち、一燃焼サイクル中の総燃料噴射量が比較的少ない運転領域では、十分な量のポート噴射燃料量を確保することが困難となり、ポート噴射燃料によって形成される混合気の空燃比が過剰に高くなる虞がある。この場合、プレ燃焼時における燃料の着火性が低下し、その結果、失火を招きやすくなる。上記によれば、機関負荷が所定負荷よりも低い運転領域では、第１プレ燃焼部によってプレ噴射を用いた第１プレ燃焼を行うことで、プレ燃焼時における燃料の着火性を向上させることができる。

本発明によれば、自着火温度が比較的高い燃料を使用する内燃機関において、スモークの発生量を抑制しつつディーゼル燃焼を実現することができる。

本発明の実施例が適用される内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。 図１に示す内燃機関に搭載される点火プラグの配置を説明するための図である。 本発明の実施例において実行される基本燃焼制御を説明するための図である。 本発明の実施例に係る基本燃焼制御が行われたときの燃焼室での熱発生率の推移を示す図である。 本発明の実施例に係る基本燃焼制御でのプレ噴射における、プレ噴射燃料量と、プレ噴射燃料の燃焼効率との相関を示す図である。 本発明の実施例に係る基本燃焼制御においてプレ噴射燃料量とメイン噴射燃料量との比率を変更した場合における燃焼室内での熱発生比率の推移の変化を示す図である。 本発明の実施例１において実行される高負荷燃焼制御を説明するための図である。 本発明の実施例１において実行される基本燃焼制御および高負荷燃焼制御における、内燃機関の機関負荷と熱効率との相関、および、内燃機関の機関負荷とスモークの発生量との相関を示す図である。 本発明の実施例１に係る燃焼制御の制御フローを示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る燃焼制御に用いられる制御マップを示す図である。 本発明の実施例２において実行される高負荷燃焼制御を説明するための図である。 本発明の実施例２に係る燃焼制御の制御フローを示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る燃焼制御に用いられる制御マップを示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明を適用する内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、複数の気筒を備えた４ストローク・サイクルの火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）である。なお、図１では、複数の気筒のうち１気筒のみが示されている。

内燃機関１の各気筒２には、ピストン３が摺動自在に内装されている。ピストン３は、コネクティングロッド４を介して図示しない出力軸（クランクシャフト）と連結されている。また、気筒２の内部は、吸気ポート７及び排気ポート８と連通している。気筒２内における吸気ポート７の開口端は、吸気弁９により開閉される。気筒２内における排気ポート８の開口端は、排気弁１０により開閉される。吸気弁９と排気弁１０は、図示しない吸気カムと排気カムとにより各々開閉駆動される。

また、各気筒２には、筒内噴射弁６１、ポート噴射弁６２、および点火プラグ５が設けられている。筒内噴射弁６１は、気筒２内に形成される燃焼室の中央頂部に配置されており、筒内に燃料を直接噴射する。ポート噴射弁６２は、吸気ポート７に設けられており、該吸気ポート７内においてその開口端の方向に燃料を噴射する。点火プラグ５は、気筒２の燃焼室内において、燃料（噴霧又は混合気）に対し点火を行う。

ここで、図２に基づいて、気筒２における点火プラグ５の配置について説明する。本実施例に係る筒内噴射弁６１は、図２に示すように概ね放射状に１６方向に燃料を噴射可能となるように噴孔６１ａを有している。そして、点火プラグ５の点火可能領域である電極間の領域５ａに対して、噴孔６１ａから噴射された燃料噴霧の少なくとも一つが通過するように、且つ、その通過した噴霧に対して領域５ａにおける電極間で生じた火花によって直接点火できるように、筒内噴射弁６１に対する点火プラグ５の相対位置、特に筒内噴射弁６１に対する領域５ａの相対位置が決定されている。このように構成された点火プラグ５と筒内噴射弁６１は、スプレーガイド燃焼を実現可能とする。すなわち、筒内噴射弁６１および点火プラグ５は、内燃機関１の吸気弁９の開弁時期やピストン３の位置にかかわらず任意の時期に、領域５ａを通過する燃料噴霧に対する点火を可能とする。なお、本実施例においては、点火プラグ５は、吸気弁９および排気弁１０の動作に干渉しないように、２つの吸気ポート７の開口部の間に位置している。ただし、本発明に係る点火装置の位置は、２つの吸気ポートの開口部の間に限られるものではない。

ここで図１に戻ると、吸気ポート７は、吸気通路７０と連通している。吸気通路７０には、スロットル弁７１が配置されている。スロットル弁７１より上流の吸気通路７０には、エアフローメータ７２が配置されている。一方で、排気ポート８は、排気通路８０と連通している。排気通路８０には、内燃機関１から排出される排気を浄化するための排気浄化触媒８１が配置されている。なお、後述するように、内燃機関１から排出される排気の空燃比は、ストイキ空燃比よりも高いリーン空燃比である。そのため、排気浄化触媒８１としては、リーン空燃比の排気中のＮＯｘ浄化が可能な選択還元型のＮＯｘ触媒や排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集可能なフィルタを採用することができる。

そして、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０
には、上述したエアフローメータ７２や、クランクポジションセンサ２１及びアクセルポジションセンサ２２が電気的に接続され、各センサの検出値がＥＣＵ２０に入力される。したがって、ＥＣＵ２０は、エアフローメータ７２によって検出される吸入空気量、クランクポジションセンサ２１の検出値に基づいて算出される機関回転速度、およびアクセルポジションセンサ２２の検出値に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態を把握可能である。また、ＥＣＵ２０には、筒内噴射弁６１、ポート噴射弁６２、点火プラグ５、およびスロットル弁７１等が電気的に接続され、これらの各要素がＥＣＵ２０によって制御される。

＜基本燃焼制御＞
上記のように構成される内燃機関１において実行される基本的な燃焼制御である基本燃焼制御について、図３に基づいて説明する。図３は、図の左側から右側に進む時系列において、内燃機関１で行われる基本燃焼制御に関する燃料噴射及び点火の流れ（図３（ａ）の上段を参照）と、その燃料噴射及び点火により燃焼室で生じると想定される燃焼に関する事象の変遷（図３（ａ）の下段を参照）を模式的に示したものである。また、図３（ｂ）には、図３（ａ）に示す燃料噴射であるプレ噴射とメイン噴射、および点火の時間的相関が示されている。なお、図３に示す形態は、あくまでも本実施例に係る基本燃焼制御を説明するために模式的に示したものであり、本発明をこの形態に限定して解釈すべきではない。

本実施例に係る基本燃焼制御では、１燃焼サイクルにおいて、筒内噴射弁６１によってプレ噴射とメイン噴射とが実行される。プレ噴射は圧縮行程中に実行される燃料噴射である。メイン噴射は、プレ噴射よりも後の時期であって圧縮行程上死点（ＴＤＣ）より前の時期に実行が開始される燃料噴射である。なお、メイン噴射は、ＴＤＣより前の時期に実行が開始されるが、ＴＤＣ以降までその実行が継続されてもよい。そして、図３（ｂ）に示すように、プレ噴射の噴射開始時期（以下、単に「プレ噴射時期」と称する）をＴｐとし、メイン噴射の噴射開始時期（以下、単に「メイン噴射時期」と称する）をＴｍとする。また、プレ噴射時期とメイン噴射時期との間隔（Ｔｍ−Ｔｐ）を第１噴射インターバルＤｉ１と定義する。また、プレ噴射による燃焼は上述したスプレーガイド燃焼として実行される。つまり、プレ噴射によって噴射された燃料（以下、「プレ噴射燃料」と称する）によって形成されるプレ噴霧に対して点火プラグ５による点火が行われる。この点火時期を、図３（ｂ）に示すようにＴｓとし、プレ噴射の実行が開始されてから点火が行われるまでの間隔（Ｔｓ−Ｔｐ）を点火インターバルＤｓと定義する。

次に、本発明に係る基本燃焼制御の流れについて説明する。
（１）プレ噴射
基本燃焼制御では、一燃焼サイクル中において、先ず、圧縮行程中のプレ噴射時期Ｔｐにプレ噴射が行われる。なお、プレ噴射時期Ｔｐは、後述するメイン噴射時期Ｔｍとの相関に基づいて決定される。プレ噴射が実行されることで、図２に示すように、筒内噴射弁６１から噴射されたプレ噴射燃料のプレ噴霧は、燃焼室内において点火プラグ５の点火可能領域５ａを通過する。このようにプレ噴射の実行が開始された直後においては、プレ噴射燃料のプレ噴霧は燃焼室内に広く拡散はせずに、該噴霧の貫徹力によりその先端部において周囲の空気を巻き込みながら燃焼室内を進んでいく。そのため、プレ噴射燃料のプレ噴霧によって燃焼室内において成層混合気が形成される。

（２）プレ噴射燃料への点火
そして、上記のように成層化されたプレ噴射燃料のプレ噴霧に対して、プレ噴射時期から所定の点火インターバルＤｓが経過した点火時期Ｔｓに、点火プラグ５による点火が行われる。上記の通り、プレ噴射燃料は成層化されているため、該プレ噴射燃料量が少量であっても点火プラグ５周囲の局所的な空燃比は、当該点火による燃焼が可能な空燃比とな
っている。この点火により、プレ噴射燃料によるスプレーガイド燃焼が行われることになる。換言すれば、スプレーガイド燃焼が可能となるように点火インターバルＤｓが設定されている。そして、ピストン３の圧縮作用による圧力上昇に加えて、このスプレーガイド燃焼が行われることで、燃焼室内の更なる温度上昇が得られることになる。ただし、プレ噴射燃料のうち、このスプレーガイド燃焼によって燃焼する燃料は一部であり、そのうちの多くは点火プラグ５の点火による燃焼には供されずに該点火以後も「燃え残り燃料」として燃焼室内に存在することになる。これは、プレ噴射燃料によって形成された成層混合気における点火プラグ５の電極間から比較的離れた部分においては、その空燃比が高いために火炎が伝播できなくなるためである。ただし、当該燃え残り燃料は、燃焼室内でプレ噴射燃料の一部が燃焼することで高温雰囲気に晒されることになる。そのため、燃え残り燃料の少なくとも一部は燃焼には至らない状況下での低温酸化反応により燃焼性が高められた物性に改質された状態となることが期待される。ただし、本発明におけるプレ噴射燃料の燃え残りは、プレ噴射燃料の一部が点火プラグ５の点火による燃焼に供されずに該点火以後も燃焼室内に未燃の状態で残った燃料を指すものであり、その燃え残った燃料が特定の物性を示す状態になっていることが必ずしも要求されるものではない。

（３）メイン噴射
次に、プレ噴射時期から所定の第１噴射インターバルＤｉ１が経過した圧縮行程上死点前のメイン噴射時期Ｔｍ（点火プラグ５による点火時期ＴｓからＤｉ１−Ｄｓの時間が経過した時期Ｔｍ）に、筒内噴射弁６１によるメイン噴射の実行が開始される。なお、内燃機関１においては、後述するようにメイン噴射燃料は自着火または拡散燃焼に供され、機関出力に寄与することになる。そのため、メイン噴射時期Ｔｍは、機関負荷等によって決定される量のメイン噴射燃料の燃焼によって得られる機関出力が概ね最大となる時期（以下、「適正噴射時期」という）に設定される。ただし、メイン噴射燃料の燃焼は、プレ噴射燃料のプレ噴霧に対する点火によって生じた火炎を火種として開始される。つまり、メイン噴射時期Ｔｍが適正噴射時期に設定されるとともに、プレ噴霧への点火によって生じた火炎を起点としてメイン噴射燃料の燃焼が開始されるように第１噴射インターバルＤｉ１が設定されている。メイン噴射時期Ｔｍと第１噴射インターバルＤｉ１とがこのように設定されることで、プレ噴射時期Ｔｐは必然的に決まることになる。そして、メイン噴射燃料の燃焼が開始されると燃焼室内の温度が更に上昇する。その結果、プレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料とがその温度上昇場において自着火し、さらにはこれらの燃料が拡散燃焼に供されることになる。このとき、上記のようにプレ噴射燃料の燃え残りの燃焼性が高められている場合には、メイン噴射の実行開始後の燃料の自着火がより促進されることが期待される。

ここで、図４に本実施例に係る基本燃焼制御が行われたときの燃焼室での熱発生率の推移を示す。なお、図４においては、４つの異なる制御形態Ｌ１〜Ｌ４に対応する熱発生率の推移が示されている。これらの制御形態Ｌ１〜Ｌ４においては、プレ噴射時期Ｔｐ、プレ噴射燃料量（すなわち、プレ噴射の実行期間）、メイン噴射時期Ｔｍ、点火時期Ｔｓは同一となっているが、メイン噴射燃料量（すなわち、メイン噴射の実行期間）が制御形態ごとに異なっている。すなわち、メイン噴射燃料量は、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４となっている。つまり、図４には、プレ噴射時期Ｔｐ、プレ噴射燃料量、メイン噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓを同一としたときのメイン噴射燃料量の増減に応じた熱発生率の推移の変化が示されていることになる。

ここで、図４中、点線で囲まれたＺ１の部分で、熱発生率の一次ピークが表れている。この一次ピークは、プレ噴射燃料が点火によって燃焼することで発生した熱（つまり、スプレーガイド燃焼によって発生した熱）を示している。この熱発生率の一次ピークが表れる時期においては、メイン噴射はまだ行われておらず、燃焼室内にはプレ噴射燃料に対する点火によって生じた火炎と、該点火では燃焼していないプレ噴射燃料である燃え残り燃
料が存在していることになる。ここで、図５に基づいてプレ噴射燃料の燃え残りについて説明する。図５は、基本燃焼制御でのプレ噴射における、プレ噴射燃料量と、プレ噴射燃料の燃焼効率（以下、プレ燃焼効率と称する）との相関を、３つの燃焼条件Ｌ５〜Ｌ７のそれぞれについて示した図である。具体的には、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７の順で、燃焼条件であるプレ噴射時期Ｔｐと点火時期Ｔｓとが、両時期のインターバルである点火インターバルＤｓを一定とした状態で進角されている。なお、図５においては、メイン噴射は行われずに、プレ噴射及び点火のみ（つまり、スプレーガイド燃焼のみ）が行われた場合の上記相関が示されている。

プレ燃焼効率は、プレ噴射燃料の燃え残り率と以下の式１に示す関連性を有する。つまり、プレ燃焼効率が高くなるほどプレ噴射燃料の燃え残り率は低くなる。
プレ噴射燃料の燃え残り率 ＝ １− プレ燃焼効率 ・・・（式１）
ここで、図５からは、プレ噴射燃料量が一定の場合に、プレ噴射時期Ｔｐおよび点火時期Ｔｓを進角させると（すなわち、第１噴射インターバルＤｉ１を大きくすると）、プレ燃焼効率は下がり、故に燃え残り率は高くなる傾向が見出せる。また、プレ噴射燃料量を変化させた場合であっても、プレ噴射時期Ｔｐ及び点火時期Ｔｓの進角量を調整することで、プレ燃焼効率と燃え残り率とを一定に制御することもできる。このように本実施例に係る基本燃焼制御では、プレ噴射燃料量と、プレ噴射時期Ｔｐおよび点火時期Ｔｓ（すなわち、第１噴射インターバルＤｉ）とを調整することで、プレ噴射燃料の燃え残り率を制御することができる。

ここで、図４に戻ると、熱発生率の一次ピークが生じる時期よりも後であって圧縮行程上死点前の時期Ｔｍにおいてメイン噴射の実行が開始される。このとき、メイン噴射燃料は、上述したように、先ずは、プレ噴射燃料のプレ噴霧に対する点火によって生じた火炎を火種として燃焼し始め、その後、プレ噴射燃料の燃え残りとともに自着火し、さらに拡散燃焼に供される。その結果、圧縮行程上死点を過ぎた時期に熱発生率の最大ピークである二次ピークが発生する。ここで、図４では、メイン噴射燃料量の増加にしたがって（すなわち、メイン噴射期間が長くなるのにしたがって）、熱発生率の二次ピークの値が大きくなるとともに、二次ピークの発生時期が遅くなっている。このことは、メイン噴射燃料量の増加にしたがってメイン噴射燃料の燃焼期間が長くなっていることを意味する。このことから、メイン噴射燃料およびプレ噴射燃料の燃え残りは、拡散燃焼もしくは実質的に拡散燃焼に同一視できる燃焼に供されているものと推察することができる。

更に、図６に基づいて、本実施例に係る基本燃焼制御において発生する燃料の自着火について説明する。図６は、本実施例に係る基本燃焼制御において、一燃焼サイクル中の合計噴射量（プレ噴射燃料量とメイン噴射燃料量との合計）を一定としたままプレ噴射燃料量とメイン噴射燃料量との比率を変更した２つの形態Ｌ８，Ｌ９それぞれの、燃焼室内での熱発生比率の推移を示している。また、Ｌ９の形態の方がＬ８の形態に比べてプレ噴射燃料量の比率が高くなっている。すなわち、Ｌ９の形態の方がＬ８の形態に比べて、プレ噴射燃料量が多く、その結果、プレ噴射燃料の燃え残り量も多くなっている。この場合、図６に示すように、Ｌ９の形態では、Ｌ８の形態に比べて、圧縮行程上死点後の熱発生率の二次ピーク値が大きくなっている。さらに、Ｌ９の形態では、Ｌ８の形態に比べて、熱発生率の二次ピーク値からの立ち下り速度（二次ピーク以後のグラフの傾き）が大きくなっている。これらは、メイン噴射開始後のプレ噴射燃料の燃え残りおよびメイン噴射燃料の燃焼において、Ｌ９の形態では、Ｌ８の形態に比べて、自着火による燃焼がより促進されている（すなわち、自着火によって燃焼する燃料の割合が高くなり、拡散燃焼によって燃焼する燃料の割合が低くなっている）ことを意味するものと推察される。このことから、プレ噴射燃料の燃え残りがメイン噴射後の燃料の自着火の促進に寄与していると考えられる。また、本実施に係る基本燃焼制御において、プレ噴射燃料量以外にプレ噴射時期Ｔｐや点火時期Ｔｓを調整することでプレ噴射燃料の燃え残り量を多くした場合もメイン噴
射後の燃料の自着火が促進されていることを、本発明の発明者は確認した。つまり、本実施例に係る基本燃焼制御においては、プレ噴射や点火に関するパラメータを調整してプレ噴射燃料の燃え残り率を高めることで、メイン噴射実行開始後のプレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料との燃焼において自着火を促進させることが可能である。

以上説明したように、本実施例に係る基本燃焼制御では、プレ噴射と点火プラグ５での点火とによるスプレーガイド燃焼ののちにメイン噴射が実行されることで燃料の自着火および拡散燃焼を生じさせる。そのため、当該基本燃焼制御による燃焼はいわゆるディーゼル燃焼に類似し、又は実質的に同一視できると考えられる。したがって、燃焼室内の混合気の空燃比を極めて高いリーン空燃比（２０〜７０程度）とすることができる。また、このようなリーン空燃比での燃焼を実現するため、本実施例に係る燃焼制御では、従来のガソリンエンジンの燃焼制御（均質ストイキ制御）に比べてスロットル弁７１の開度が大きくされる。そのため、内燃機関１でのポンプ損失を小さくすることができる。さらに、機関出力に寄与する燃焼が自着火および拡散燃焼により行われることで内燃機関１での冷却損失も従来の均質ストイキ制御時と比べて小さくすることができる。したがって、本実施例に係る基本燃焼制御によれば、従来のガソリンエンジンの燃焼制御では実現され得ない高い熱効率を達成することができる。

また、上記のように、メイン噴射時期は内燃機関１の機関出力が概ね最大となる適正噴射時期に設定されている。そのため、メイン噴射燃料量を増量することによって機関負荷の上昇にある程度までは対応することができる。しかしながら、メイン噴射は、圧縮行程上死点近傍の燃焼室内の圧力が非常に高い時に行われるため、筒内噴射弁６１から噴射された燃料噴霧のペネトレーションが小さくなる。つまり、メイン噴射によって噴射された燃料噴霧は広範囲に拡散し難い。そのため、メイン噴射燃料量が過剰に増量されると、メイン噴射燃料の噴霧の周囲に存在する酸素、即ち、メイン噴射燃料の燃焼に供される酸素の量が燃料に対して不足した状態となり、その結果、スモークの発生量が増加する虞がある。また、本実施例に係る基本燃焼制御では、メイン噴射後に燃料の自着火を生じさせる必要があるが、メイン噴射燃料量が過剰に多くなると、該メイン噴射燃料の気化潜熱によって燃焼室内の温度が低下し、燃焼が不安定となる虞もある。

一方、プレ噴射は圧縮行程中のプレ噴射時期Ｔｐに行われる。そのため、プレ噴射燃料が点火プラグ５による点火によって燃焼すると内燃機関１の機関出力を妨げるように作用するとも考えられる。しかしながら、プレ噴射燃料のプレ噴霧への点火による燃焼では、メイン噴射燃料の燃焼のための火種となる火炎が形成されればよい。そのため、上記のように、プレ噴射燃料において、点火によって生じる火炎伝播による燃焼に供されるのは、そのうちの一部である。したがって、プレ噴射燃料のスプレーガイド燃焼による機関出力を妨げるような作用は小さい。そして、スプレーガイド燃焼には供されないプレ噴射燃料の燃え残りはメイン噴射後においてメイン噴射燃料とともに自着火または拡散燃焼に供されるため機関出力に寄与することになる。そのため、プレ噴射燃料量を増量するとともにその燃え残り率を上昇させることでも、機関負荷の上昇に対応することができる。

また、メイン噴射時期においては、プレ噴射燃料の燃え残りは燃焼室内においてメイン噴射燃料の燃料噴霧よりも広範囲に拡散している。そのため、プレ噴射燃料の燃え残りが自着火または拡散燃焼に供される際には十分な酸素を確保し易い状態となっている。したがって、プレ噴射燃料の増量およびその燃え残り率の上昇により機関負荷の上昇に対応した場合、メイン噴射燃料量を増量した場合に比べてスモークの発生量を抑制することができる。

＜高負荷燃焼制御＞
次に、本本実施例に係る内燃機関１での高負荷運転時における燃焼制御について説明す
る。本実施例に係る内燃機関１においては、機関負荷の上昇に従って燃焼室内への燃料噴射量を増量する必要がある。ただし、上述したように、メイン噴射燃料量が過剰に増量されると、スモークの発生量が増加したり、燃料の気化潜熱に起因して燃焼室内の温度が低下することで燃焼が不安定となったりする虞がある。また、上述したように、プレ噴射燃料量を増量する場合は、その増量とともにプレ噴射時期Ｔｐを進角する、すなわち第１噴射インターバルＤｉ１を大きくすることで、スモークの発生量を抑制することができる。しかしながら、プレ噴射燃料への点火によって生じる火炎をメイン噴射燃料の燃焼のための火種とする必要があることから、第１噴射インターバルＤｉ１には上限値が存在する。

ここで、仮に、第１噴射インターバルＤｉ１を当該上限値に維持した状態でプレ噴射燃料量を更に増量した場合、メイン噴射が実行された際に、燃焼室内においてメイン噴射燃料の噴霧が形成される位置に存在するプレ噴射燃料の燃え残り量が増加することになる。その結果、メイン噴射が実行された際にプレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料とが重なり合うと、これらが重なり合った部分における燃料濃度が過剰に高くなる場合がある。この場合、当該部分の周囲に存在する酸素、即ち、当該部分に存在する燃料の燃焼に供される酸素の量が燃料に対して不足した状態となり、その結果、スモークが発生し易くなる。

つまり、メイン噴射燃料量が増量される場合のみならず、プレ噴射燃料量についても、過剰に増量されると、スモークの発生量の増加を招く虞がある。そこで、本実施例においては、一燃焼サイクル中に燃焼室内に噴射する燃料量が比較的多く必要となる高負荷領域では、スモークの発生量を抑制すべく、上述した基本燃焼制御に代えて高負荷燃焼制御が行われる。以下、本実施例に係る高負荷燃焼制御について、図７に基づいて説明する。図７は、図の左側から右側に進む時系列において、内燃機関１で行われる高負荷燃焼制御に関する燃料噴射及び点火の流れ（図７（ａ）の上段を参照）と、その燃料噴射及び点火により燃焼室で生じると想定される燃焼に関する事象の変遷（図７（ａ）の下段を参照）を模式的に示したものである。また、図７（ｂ）には、図７（ａ）に示す燃料噴射であるポート噴射、プレ噴射、およびメイン噴射と、点火との時間的相関が示されている。なお、図７に示す形態は、あくまでも本実施例に係る高負荷燃焼制御を説明するために模式的に示したものであり、本発明をこの形態に限定して解釈すべきではない。

本実施例に係る高負荷燃焼制御は、プレ燃焼の形態が基本燃焼制御と異なっている。具体的には、基本燃焼制御では、上述したように、プレ燃焼のための燃料噴射を筒内噴射弁６１によるプレ噴射によって行うのに対し、高負荷燃焼制御では、プレ燃焼のための燃料噴射をポート噴射弁６２によるポート噴射および筒内噴射弁６１によるプレ噴射を併用して行う。以下、基本燃焼制御に係るプレ燃焼を「第１プレ燃焼」と称し、高負荷燃焼制御に係るプレ燃焼を「第２プレ燃焼」と称する場合もある。

本実施例に係る高負荷燃焼制御では、図７に示すように、一燃焼サイクル中において、先ず、吸気行程中にポート噴射弁６２によってポート噴射が実行される。ここで、図７（ｂ）に示すように、ポート噴射の噴射開始時期（以下、単に「ポート噴射時期」と称する）をＴｐｔとする。ポート噴射時期Ｔｐｔは、要求されているポート噴射燃料量を吸気行程中（すなわち、吸気弁９の開弁期間中）に噴射可能となる時期に設定される。このポート噴射が実行されることで、燃焼室内に混合気が形成されることになる。そして、次に、基本燃焼制御と同様、圧縮行程中のプレ噴射時期Ｔｐに筒内噴射弁６１によってプレ噴射が行われる。このプレ噴射が実行されることで、筒内噴射弁６１から噴射されたプレ噴射燃料のプレ噴霧は、燃焼室内において点火プラグ５の点火可能領域５ａを通過する。そして、この場合、ポート噴射燃料によって形成された混合気中にプレ噴霧が形成される。その結果、燃焼室内に成層混合気が形成されることになる。そして、圧縮行程における点火時期Ｔｓにおいて、プレ噴霧に対して点火プラグ５による点火が行われる。この点火によ
って、プレ噴射燃料によるスプレーガイド燃焼が行われる。つまり、プレ噴射の実行が開始されてから点火が行われるまでの間隔である点火インターバルＤｓは、基本燃焼制御の場合と同様、スプレーガイド燃焼が可能となるように設定されている。

ここで、第２プレ燃焼では、基本燃焼制御における第１プレ燃焼と同様、メイン燃料の燃焼のための火種となる火炎が形成される程度の燃焼が行われればよい。ただし、本実施例に係る第２プレ燃焼では、ポート噴射燃料によって形成された混合気中にプレ噴射燃料によってプレ噴霧が形成され、該プレ噴霧に対し点火が行われることでスプレーガイド燃焼が行われる。そのため、スプレーガイド燃焼によって生じる火炎伝播によりポート噴射燃料も燃焼すると考えられる。このとき、ポート噴射燃料によって形成される混合気の空燃比が低すぎると、プレ噴射燃料によるスプレーガイド燃焼によって生じる火炎伝播により、過剰に多くのポート噴射燃料が燃焼してしまう虞がある。この場合、第２プレ燃焼によって燃焼したポート噴射燃料は内燃機関１の出力には寄与しないため、熱効率が低下することになる。そのため、ポート噴射燃料によって形成される均質混合気の空燃比が、プレ噴射燃料によるスプレーガイド燃焼によって生じる火炎伝播により燃焼するポート噴射燃料がポート噴射燃料量のうちの一部に抑えられる空燃比となるように、ポート噴射燃料量が設定されている。

そして、プレ噴射時期から所定の第１噴射インターバルＤｉ１が経過した圧縮行程上死点前のメイン噴射時期Ｔｍに、筒内噴射弁６１によるメイン噴射の実行が開始される。これにより、第２プレ燃焼によって生じた火炎を火種としてメイン噴射燃料の燃焼が開始される。メイン噴射燃料の燃焼が開始されると燃焼室内の温度が更に上昇する。その結果、ポート噴射燃料、プレ噴射燃料の燃え残り、および、メイン噴射燃料がその温度上昇場において自着火し、さらにはこれらの燃料が拡散燃焼に供されることになる。これにより、メイン燃焼が行われる。このとき、燃焼室内に存在するポート噴射燃料およびプレ噴射燃料の燃え残りが、第２プレ燃焼時に高温雰囲気に晒されることで燃焼性が高められている場合には、メイン噴射の実行開始後の燃料の自着火がより促進されることが期待される。

上記のように、本実施例に係る高負荷燃焼制御においては、点火プラグ５による点火によって生じた火炎伝播では燃焼せずに燃え残ったポート噴射燃料およびプレ噴射燃料が、メイン燃料噴射後の自着火または拡散燃焼によって燃焼する。これにより、メイン噴射燃料に加え、ポート噴射燃料およびプレ噴射燃料も内燃機関１の出力に寄与することとなる。

そして、プレ噴射に加えてポート噴射を用いて第２プレ燃焼を行うことで、基本燃焼制御のようにプレ噴射のみを用いて第１プレ燃焼を行う場合に比べて、プレ噴射燃料量を減量することができる。したがって、ポート噴射とプレ噴射とを併用することで、同量の燃料をプレ噴射のみによって噴射した場合に比べて、スモークの発生量を抑制することができる。

また、混合気を形成するポート噴射燃料は、メイン噴射燃料よりも燃焼室内においてより広範囲に分布している。そのため、メイン燃焼時において、燃焼室内に存在する酸素のより多くを用いることができる。したがって、ポート噴射燃料の燃焼に必要な酸素を十分に確保することが可能となる。さらに、該ポート噴射燃料は、プレ噴射燃料の燃え残りと比べても、燃焼室内においてより広範囲に分布することなる。そのため、メイン噴射燃料とポート噴射燃料とが重なった部分の燃料濃度は、第１プレ燃焼を行った場合にメイン噴射燃料とプレ噴射燃料（燃え残り）とが重なった部分の燃料濃度より低くなる。そのため、メイン噴射燃料とポート噴射燃料とが重なったとしても、これらの燃料が重なった部分に存在する燃料の燃焼に供される酸素の量が不足した状態となることが抑制される。したがって、ポート噴射燃料は、メイン噴射燃料およびプレ噴射燃料のいずれと比べてもスモ
ークの発生原因となり難い。

図８は、基本燃焼制御および高負荷燃焼制御における、内燃機関１の機関負荷と熱効率との相関（図８（ａ）を参照）、および、内燃機関１の機関負荷とスモークの発生量との相関（図８（ｂ）を参照）を示す図である。図８（ａ）における線Ｌ１０および図８（ｂ）における線１２は、高負荷燃焼制御におけるそれぞれの相関を示している。図８（ａ）における線Ｌ１１および図８（ｂ）における線１３は、基本燃焼制御におけるそれぞれの相関を示している。図８（ｂ）に示すように、基本燃焼制御では、内燃機関１機関負荷が所定負荷Ｑｅ０を超えるとスモークの発生量が急増する。そして、これに伴って、図８（ａ）に示すように、熱効率が低下することになる。これに対し、高負荷燃焼制御では、内燃機関１機関負荷が所定負荷Ｑｅ０を超えても、ある程度の機関負荷に達するまでは、スモークの発生量の増加を抑制することができる。そのため、内燃機関１機関負荷が所定負荷Ｑｅ０を超えても、熱効率を向上させることができる。

以上説明したように、機関負荷が所定負荷よりも高い運転領域、すなわち、一燃焼サイクル中の総燃料噴射量が比較的多くなる運転領域では、第１プレ燃焼を行う基本燃焼制御に代えて、第２プレ燃焼を行う高負荷燃焼制御を実行することで、スモークの発生量を抑制しつつディーゼル燃焼を実現することができる。

＜燃焼制御フロー＞
ここで、本実施例に係る燃焼制御の制御フローについて図９に基づいて説明する。図９は、本実施例に係る燃焼制御の制御フローを示すフローチャートである。この制御フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、内燃機関１が稼働している間、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムが実行されることで、所定の間隔で繰り返し実行される。

また、図１０は、本実施例に係る燃焼制御に用いられる制御マップの一例を示している。図１０の上段（ａ）では、内燃機関１の機関負荷とプレ噴射燃料量の相関を線Ｌ２１で示し、該機関負荷とメイン噴射燃料量との相関を線Ｌ２２で示し、該機関負荷とポート噴射燃料量との相関を線Ｌ２３で示し、該機関負荷と該機関負荷に対応した燃料噴射量である負荷対応噴射量との相関を線Ｌ２０で示している。また、図１０（ａ）において、Ｓ１は、運転領域Ｒ３（以下、低負荷領域Ｒ３と称する）とＲ４（以下、中負荷領域Ｒ４と称する）との境界となる機関負荷に対応する燃料噴射量を表している（以下、第１所定量Ｓ１と称する）。また、Ｓ２（＞Ｓ１）は、中負荷領域Ｒ４と運転領域Ｒ５（以下、高負荷領域Ｒ５と称する）との境界となる機関負荷に対応する燃料噴射量を表している（以下、第２所定量Ｓ２と称する）。そして、本実施例では、内燃機関１の機関負荷が低負荷領域Ｒ３または中負荷領域Ｒ４に属する場合は上記の基本燃焼制御が行われ、内燃機関１の機関負荷が高負荷領域Ｒ５に属する場合は上記の高負荷燃焼制御が行われる。つまり、本実施例では、中負荷領域Ｒ４と高負荷領域Ｒ５との境界となる機関負荷Ｑｅ０が、本発明に係る「所定負荷」に相当する。

また、図１０の下段（ｂ）では、内燃機関１の機関負荷とプレ噴射時期Ｔｐの相関を線Ｌ３１で示し、該機関負荷と点火時期Ｔｓとの相関を線Ｌ３０で示し、該機関負荷とメイン噴射時期Ｔｍとの相関を線Ｌ３２で示し、該機関負荷とポート噴射時期Ｔｐｔとの相関を線Ｌ３３で示している。そして、線Ｌ３１と線Ｌ３２との間隔が第１噴射インターバルＤｉ１を示し、線Ｌ３１と線Ｌ３０との間隔が点火インターバルＤｓを示している。なお、図１０（ｂ）の縦軸は圧縮行程上死点を基準としたクランク角（BTDC: Before Top Dead Center）を表しており、その値が大きくなるほど圧縮行程におけるより早い時期であることを意味する。

本実施例に係る制御フローでは、先ず、Ｓ１０１において、アクセルポジションセンサ
２２の検出値に基づいて、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが算出される。また、別法として、吸気通路７０を流れる空気流量、すなわちエアフローメータ７２の検出値や、吸気通路７０内の吸気圧力に基づいて、内燃機関１の機関負荷を算出することもできる。次に、Ｓ１０２において、Ｓ１０１で算出された機関負荷Ｑｅに基づいて、負荷対応噴射量Ｓ０が算出される。具体的には、図１０（ａ）で線Ｌ２０に示す制御マップを利用して、機関負荷Ｑｅに応じた負荷対応噴射量Ｓ０が算出される。なお、本実施例では、線Ｌ２０で示すように、機関負荷が増加するに従い負荷対応噴射量Ｓ０が大きくなるように、両者の相関が制御マップ上に記録されている。

次に、Ｓ１０３において、Ｓ１０２で算出された負荷対応噴射量Ｓ０が第２所定量Ｓ２以下であるか否かが判別される。すなわち、Ｓ１０３において、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが、低負荷領域Ｒ３または中負荷領域Ｒ４に属しているのか、高負荷領域Ｒ５に属しているのかが判別される。Ｓ１０３において肯定判定された場合、すなわち、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが低負荷領域Ｒ３または中負荷領域Ｒ４に属している場合、基本燃焼制御を実行すべく、次にＳ１０４の処理が実行される。

Ｓ１０４では、図１０に示す制御マップを用いて、基本燃焼制御を実現するための、プレ噴射燃料量Ｓｐ、メイン噴射燃料量Ｓｍ、プレ噴射時期Ｔｐ、メイン噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓが決定される。

ここで、低負荷領域Ｒ３または中負荷領域Ｒ４において基本燃焼制御を実現するための各制御パラメータの値について説明する。負荷対応噴射量Ｓ０が第１所定量Ｓ１以下である場合、すなわち、内燃機関１の機関負荷が低負荷領域Ｒ３に属する場合、図１０（ａ）で線Ｌ２１に示すように、プレ噴射燃料量Ｓｐが最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎに設定される。ここで、最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎは、メイン噴射が実行された際にメイン噴射燃料の燃焼開始のための火種となる火炎を形成することが可能なプレ噴射燃料量の下限値である。ここで、プレ噴射燃料量Ｓｐが多くなると、点火プラグ５での点火による燃焼（即ちスプレーガイド燃焼）が促進され易くなるためプレ噴射燃料における燃え残り率が低下する虞があるが、プレ噴射燃料量Ｓｐを最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎとすることでその燃え残り率を可及的に高くすることができる。そのため、低負荷領域Ｒ３では、プレ噴射燃料量Ｓｐを最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎとすることで、安定した燃焼を確保しつつ高い熱効率を実現することができる。また、低負荷領域Ｒ３は、負荷対応噴射量が比較的少ないため、機関負荷の増加に対してメイン噴射燃料量Ｓｍのみの増量によって対応しても、スモークの発生量が増加したり、メイン噴射燃料の気化潜熱に起因して燃焼が不安定となったりする可能性が低い運転領域として設定されている。そこで、図１０（ａ）に示すように、低負荷領域Ｒ３では、機関負荷の増加に対してはメイン噴射燃料量Ｓｍのみの増加によって対応し、プレ噴射燃料量Ｓｐは最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎで固定される。

また、メイン噴射時期Ｔｍは、内燃機関１の熱効率を向上させるために圧縮行程上死点前の適正噴射時期に設定される。そして、低負荷領域Ｒ３では、適正噴射時期に設定されたメイン噴射時期Ｔｍに対し、プレ噴射燃料量Ｓｐが最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎである場合に熱効率が好適な状態となる第１噴射インターバルＤｉ１が確保されるように、プレ噴射時期Ｔｐが設定される。なお、上述のように、低負荷領域Ｒ３では、プレ噴射燃料量Ｓｐは最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎで固定される。そのため、低負荷領域Ｒ３では、第１噴射インターバルＤｉ１も一定に維持される。したがって、図１０（ｂ）に示すように、低負荷領域Ｒ３では、機関負荷が変動することでメイン噴射燃料量Ｓｍが変動し、それに伴ってメイン噴射時期Ｔｍが変動した場合、当該メイン噴射時期Ｔｍの変動に連動してプレ噴射時期Ｔｐも変動することになる。

また、図１０（ｂ）に示すように、プレ噴射時期Ｔｐと点火時期Ｔｓとのインターバルである点火インターバルＤｓは一定に維持される。そのため、低負荷領域Ｒ３では、メイン噴射時期Ｔｍの変動に連動してプレ噴射時期Ｔｐが変動した場合、当該変動に連動して点火時期Ｔｓも変動することになる。

また、低負荷領域Ｒ３では、線Ｌ２２で示される負荷対応噴射量Ｓ０とメイン噴射燃料量Ｓｍとの相関は、以下の式２に従う。
Ｓｍ ＝ Ｓ０ −Ｓｐ×α ・・・（式２）
α：プレ噴射燃料の燃え残り率
上記のとおり、本実施例に係る基本燃焼制御では、プレ噴射燃料の燃え残りはメイン噴射燃料とともに自着火し拡散燃焼に供されることで機関出力に寄与する。そのため、機関出力に寄与するという観点に立てば、プレ噴射燃料の燃え残りはメイン噴射燃料と同等と言うことができる。そこで、プレ噴射燃料の燃え残り率を示す係数αを予め実験等で求めておき、当該係数αを考慮した上記式２に従ってメイン噴射燃料量Ｓｍを算出することで、適切なメイン噴射燃料量Ｓｍを求めることができる。なお、プレ噴射燃料の燃え残り率は、点火インターバルＤｓ及び第１噴射インターバルＤｉ１に応じて変化する。従って、係数αはこれらに基づいて定まる値である。そして、低負荷領域Ｒ３では、点火インターバルＤｓ及び第１噴射インターバルＤｉ１はいずれも一定であるため、上記式２おける係数αも一定値となる。また、低負荷領域Ｒ３では、上記の理由によりプレ噴射燃料量Ｓｐは最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎに固定されるため、上記式２においてＳｐ＝Ｓｐｍｉｎとなる。また、プレ噴射燃料量に対して点火プラグ５による点火によって燃焼する分の燃料量（すなわち第１プレ燃焼によって燃焼する分の燃料量）が非常に少ない場合は、制御上、係数α＝１としてもよい。

また、中負荷領域Ｒ４は、機関負荷の増加に対してメイン噴射燃料量Ｓｍのみの増量によって対応した場合、スモークの発生量が増加したり、メイン噴射燃料の気化潜熱に起因して燃焼が不安定となったりする可能性が高い運転領域として設定されている。そのため、中負荷領域Ｒ４では、機関負荷の増加に対してメイン噴射燃料量Ｓｍのみならずプレ噴射燃料量Ｓｐも増量することで対応する。したがって、中負荷領域Ｒ４では、図１０（ｂ）で線Ｌ２１に示すように、内燃機関１の機関負荷が高いほどプレ噴射燃料量Ｓｐは増量される。これにより、内燃機関１の機関負荷が高いほど、プレ噴射燃料の燃え残り量が多くなる。そして、内燃機関１の機関負荷が、中負荷領域Ｒ４における最大機関負荷である所定負荷Ｑｅ０のときに、プレ噴射燃料量Ｓｐが最大プレ噴射燃料量Ｓｐｍａｘとなる。

また、中負荷領域Ｒ４では、図１０（ａ）で線Ｌ２２に示すように、内燃機関１の機関負荷が高いほどメイン噴射燃料量Ｓｍも増量される。なお、中負荷領域Ｒ４でも、低負荷領域Ｒ３と同様に、線Ｌ２２で示される負荷対応噴射量Ｓ０とメイン噴射燃料量Ｓｍとの相関は、上記式２に従う。また、上記のように、中負荷領域Ｒ４では、機関負荷の上昇に従いプレ噴射燃料量Ｓｐが増量される。そのため、図１０（ａ）で線Ｌ２２に示すように、該中負荷領域Ｒ４におけるメイン噴射燃料量Ｓｍの増量比率（機関負荷の上昇量に対するメイン噴射燃料量Ｓｍの増加量の比率）は、プレ噴射燃料量Ｓｐが固定されている低負荷領域Ｒ３におけるメイン噴射燃料量Ｓｍの増量比率よりも小さくなる。これにより、メイン噴射燃料量の増量に起因するスモークの発生量の増加や、メイン噴射燃料の気化潜熱の増加に起因する失火の発生を抑制することができる。

また、中負荷領域Ｒ４では、図１０（ｂ）に示すように、内燃機関１の機関負荷が高いほど、第１噴射インターバルＤｉ１が大きくなるようにプレ噴射時期Ｔｐが進角される。つまり、中負荷領域Ｒ４では、プレ噴射時期Ｔｐが、メイン噴射時期Ｔｍの進角量に連動した進角量以上に進角され、その進角量が、機関負荷が高いほど大きくなっている。このようにプレ噴射時期Ｔｐを制御することで、プレ噴射燃料量Ｓｐが増量されることでその
燃え残り量が多くなっても、プレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料とが重なった部分の燃料濃度をより低くすることができる。その結果、これらの燃料の重なりに起因するスモークの発生量を抑制することができる。

また、図１０（ｂ）に示すように、中負荷領域Ｒ４においても、低負荷領域Ｒ３と同様、プレ噴射時期Ｔｐと点火時期Ｔｓとのインターバルである点火インターバルＤｓは一定に維持される。そのため、機関負荷の上昇に従い、プレ噴射時期Ｔｐがメイン噴射時期Ｔｍの進角量に連動した進角量以上に進角された場合、点火時期Ｔｓもプレ噴射時期Ｔｐと同程度に進角される。

図９に示すフローチャートの説明に戻り、Ｓ１０４において図１０に示す制御マップを用いて基本燃焼制御を実現するための各制御パラメータの値が決定されると、次にＳ１０５の処理が実行される。Ｓ１０５においては、Ｓ１０４で決定されたプレ噴射燃料量Ｓｐ、メイン噴射燃料量Ｓｍ、プレ噴射時期Ｔｐ、メイン噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓに従って、筒内噴射弁６１によるプレ噴射およびメイン噴射と、点火プラグ５による点火とが実行される。これにより、本実施例に係る基本燃焼制御が実現される。

一方、Ｓ１０３において否定判定された場合、すなわち、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが高負荷領域Ｒ５に属している場合、高負荷燃焼制御を実行すべく、次にＳ１０６の処理が実行される。

Ｓ１０６では、図１０に示す制御マップを用いて、高負荷燃焼制御を実現するための、ポート噴射燃料量Ｓｐｔ、プレ噴射燃料量Ｓｐ、メイン噴射燃料量Ｓｍ、ポート噴射時期Ｔｐｔ、プレ噴射時期Ｔｐ、メイン噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓが決定される。

ここで、高負荷領域Ｒ５において高負荷燃焼制御を実現するための各制御パラメータの値について説明する。図１０（ａ）で線Ｌ２１および線Ｌ２２に示すように、高負荷領域Ｒ５では、プレ噴射量Ｓｐおよびメイン噴射量Ｓｍは一定量に固定される。このとき、プレ噴射量Ｓｐは、中負荷領域Ｒ４における最大プレ噴射燃料量Ｓｐｍａｘよりも最小ポート噴射量（内燃機関１の機関負荷がＱｅ０のときのポート噴射量）分少ない量に固定される。また、メイン噴射量Ｓｍは、中負荷領域Ｒ４における最大メイン噴射燃料量Ｓｍｍａｘに固定される。そして、高負荷領域Ｒ５では、機関負荷の増加に対してメイン噴射燃料量Ｓｍの増加によって対応する。また、このときのポート噴射燃料量Ｓｐｔは、ポート噴射燃料によって形成される混合気の空燃比が、プレ噴射燃料によるスプレーガイド燃焼によって生じる火炎伝播により燃焼するポート噴射燃料がポート噴射燃料量のうちの一部に抑えられる空燃比となるように設定されている。

ここで、図１０（ａ）で線Ｌ２３に示される、高負荷領域Ｒ５における負荷対応噴射量Ｓ０とポート噴射燃料量Ｓｐｔとの相関は、以下の式３に従う。
Ｓｐｔ ＝ （Ｓ０ −（Ｓｐ×α´ ＋ Ｓｍ））／β´ ・・・（式３）
α´：プレ噴射燃料の燃え残り率
β´：ポート噴射燃料の燃え残り率
α´およびβ´はポート噴射とプレ噴射とを併用して第２プレ燃焼を行った場合のそれぞれの燃料の燃え残り率である。これらの燃え残り率は実験等に基づいて求めることができる。上記のとおり、ポート噴射燃料の多くはメイン噴射燃料とともに自着火または拡散燃焼に供されることで機関出力に寄与する。しかしながら、第２プレ燃焼において燃焼するポート噴射燃料の一部は機関出力には寄与しないこととなる。そこで、高負荷領域Ｒ５では、上記式３により、プレ噴射燃料の燃え残り率のみならずポート噴射燃料の燃え残り率（すなわち、ポート噴射燃料量における、点火プラグ５による点火では燃焼せずにメイン噴射後の自着火または拡散燃焼に供される分の割合）を考慮してポート噴射燃料量Ｓｐ
ｔが決定される。これにより、適切なポート噴射燃料量Ｓｐｔを求めることができる。ただし、上記式２における係数αと同様、プレ噴射燃料量に対して点火プラグ５による点火によって燃焼する分の燃料量（すなわち第２プレ燃焼によって燃焼する分の燃料量）が非常に少ない場合は、制御上、係数α´＝１としてもよい。また、ポート噴射燃料量に対して点火プラグ５によるプレ噴霧への点火によって燃焼する分の燃料量（すなわち第２プレ燃焼によって燃焼する分の燃料量）が非常に少ない場合は、制御上、係数β´＝１としてもよい。

また、高負荷領域Ｒ５では、プレ噴射燃料量Ｓｐおよびメイン噴射燃料量Ｓｍが一定量に固定されるため、図１０（ｂ）の線Ｌ３１およびＬ３２に示すように、プレ噴射時期Ｔｐおよびメイン噴射時期Ｔｍもそれぞれの噴射量に適した一定の時期に固定される。また、高負荷領域Ｒ５においても、点火インターバルＤｓは一定に維持される。そのため、図１０（ｂ）の線Ｌ３０に示すように、点火時期Ｔｓは一定の時期に固定される。これにより、高負荷領域Ｒ５におけるプレ噴射燃料の燃え残り量も概ね一定となる。また、上述したように、ポート噴射時期Ｔｐｔは、要求されているポート噴射燃料量Ｓｐｔを吸気行程中（すなわち、吸気弁９の開弁期間中）に噴射可能となる時期に設定される。そのため、図１０（ｂ）の線Ｌ３３に示すように、ポート噴射時期Ｔｐｔは、機関負荷の変動に伴うポート噴射量Ｓｐｔの変動に応じて変動する。

図９に示すフローチャートの説明に戻り、Ｓ１０６において高負荷燃焼制御を実現するための各制御パラメータの値が決定されると、次にＳ１０７の処理が実行される。Ｓ１０７においては、Ｓ１０６で決定されたポート噴射燃料量Ｓｐｔ、プレ噴射燃料量Ｓｐ、メイン噴射燃料量Ｓｍ、ポート噴射時期Ｔｐｔ、プレ噴射時期Ｔｐ、メイン噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓに従って、ポート噴射弁６２によるポート噴射と、筒内噴射弁６１によるプレ噴射およびメイン噴射と、点火プラグ５による点火とが実行される。これにより、本実施例に係る高負荷燃焼制御が実現される。

なお、図１０は、あくまで、本実施例に係る燃焼制御に用いられる制御マップの一例であって、内燃機関の機関負荷と、基本燃焼制御および高負荷燃焼制御における各制御パラメータとの相関は該図１０に示すものに限られるものではない。

本実施例に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成は実施例１と同様である。また、本実施例においても、実施例１と同様の基本燃焼制御が行われる。ただし、本実施例においては、高負荷領域において実行される高負荷燃焼制御の制御形態が実施例１とは異なっている。

以下、本実施例に係る高負荷燃焼制御について、図１１に基づいて説明する。図１１は、図の左側から右側に進む時系列において、内燃機関１で行われる高負荷燃焼制御に関する燃料噴射及び点火の流れ（図１１（ａ）の上段を参照）と、その燃料噴射及び点火により燃焼室で生じると想定される燃焼に関する事象の変遷（図１１（ａ）の下段を参照）を模式的に示したものである。また、図１１（ｂ）には、図１１（ａ）に示す燃料噴射であるポート噴射およびメイン噴射と、点火の時間的相関が示されている。なお、図１１に示す形態は、あくまでも本実施例に係る高負荷燃焼制御を説明するために模式的に示したものであり、本発明をこの形態に限定して解釈すべきではない。

本実施例に係る高負荷燃焼制御は、第２プレ燃焼の形態が実施例１に係る高負荷燃焼制御とは異なっている。具体的には、実施例１に係る高負荷燃焼制御においては、第２プレ燃焼のための燃料噴射をポート噴射弁６２によるポート噴射および筒内噴射弁６１によるプレ噴射の両方によって行うのに対し、本実施例に係る高負荷燃焼においては、第２プレ
燃焼のための燃料噴射をポート噴射弁６２によるポート噴射のみによって行う。

本実施例に係る高負荷燃焼制御では、図１１に示すように、一燃焼サイクル中において、先ず、吸気行程中のポート噴射時期Ｔｐｔにポート噴射弁６２によってポート噴射が実行される。ここで、ポート噴射時期Ｔｐｔは、実施例１に係る高負荷燃焼制御の場合と同様、要求されているポート噴射燃料量を吸気行程中（すなわち、吸気弁９の開弁期間中）に噴射可能となる時期に設定される。このポート噴射が実行されることで、燃焼室内に混合気が形成されることになる。そして、圧縮行程における点火時期Ｔｓにおいて、この混合気に対して点火プラグ５による点火が行われる。この点火によって混合気を形成するポート噴射燃料の一部が燃焼することで、第２プレ燃焼が行われることになる。

ここで、本実施例に係る第２プレ燃焼でも、実施例１に係る第２プレ燃焼と同様、メイン燃料の燃焼のための火種となる火炎が形成される程度の燃焼が行われればよい。しかしながら、ポート噴射燃料によって形成される混合気の空燃比が高すぎると点火プラグ５による点火が行われても、燃料が着火しない虞がある。この場合、メイン噴射を実行してもメイン燃焼を行うことができないため、失火してしまうことになる。一方で、該混合気の空燃比が低すぎると、点火プラグ５による点火によって生じる火炎伝播により、過剰に多くのポート噴射燃料が燃焼してしまう虞がある。この場合、第２プレ燃焼によって燃焼したポート噴射燃料は内燃機関１の出力には寄与しないため、熱効率が低下することになる。そのため、ポート噴射燃料によって形成される混合気の空燃比が、点火プラグ５による点火によって燃料が着火することで火炎は生じるが、該火炎の伝播ではポート噴射燃料の一部のみが燃焼する空燃比となるように、ポート噴射燃料量が設定されている。

そして、点火プラグ５による点火から所定の第２噴射インターバルＤｉ２が経過した圧縮行程上死点前のメイン噴射時期Ｔｍに、筒内噴射弁６１によるメイン噴射の実行が開始される。これにより、第２プレ燃焼によって生じた火炎を火種としてメイン噴射燃料の燃焼が開始される。換言すれば、第２プレ燃焼によって生じた火炎を起点としてメイン噴射燃料の燃焼が開始されるように第２噴射インターバルＤｉ２が設定されている。また、基本燃焼制御と同様、高負荷燃焼制御においても、メイン噴射時期Ｔｍは適正噴射時期に設定される。メイン噴射時期Ｔｍと第２噴射インターバルＤｉ２とがこのように設定されることで、点火時期Ｔｓは必然的に決まることになる。

メイン噴射燃料の燃焼が開始されると燃焼室内の温度が更に上昇する。その結果、ポート噴射燃料とメイン噴射燃料とがその温度上昇場において自着火し、さらにはこれらの燃料が拡散燃焼に供されることになる。これにより、メイン燃焼が行われる。このとき、燃焼室内に存在するポート噴射燃料が、第２プレ燃焼時に高温雰囲気に晒されることで、第１プレ燃焼におけるプレ噴射燃料の燃え残りと同様に燃焼性が高められている場合には、メイン噴射の実行開始後の燃料の自着火がより促進されることが期待される。

上記のように、高負荷燃焼制御においては、点火プラグ５による点火によって生じた火炎伝播では燃焼せずに燃え残ったポート噴射燃料は、基本燃焼制御におけるプレ噴射燃料の燃え残りと同様、メイン燃料噴射後の自着火または拡散燃焼によって燃焼する。これにより、メイン噴射燃料に加え、ポート噴射燃料も内燃機関１の出力に寄与することとなる。また、上述したように、ポート噴射燃料は、メイン噴射燃料のみならず、プレ噴射燃料と比べてもスモークの発生原因となり難い。そのため、ポート噴射を用いてプレ燃焼を行うことで、スモークの発生量を抑制することができる。

したがって、機関負荷が所定負荷よりも高い運転領域、すなわち、一燃焼サイクル中の総燃料噴射量が比較的多くなる運転領域では、上記のような高負荷燃焼制御を実行することで、実施例１に係る高負荷燃焼制御を実行した場合と同様に、スモークの発生量を抑制
しつつディーゼル燃焼を実現することができる。

＜燃焼制御フロー＞
ここで、本実施例に係る燃焼制御の制御フローについて図１２に基づいて説明する。図１２は、本実施例に係る燃焼制御の制御フローを示すフローチャートである。この制御フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、内燃機関１が稼働している間、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムが実行されることで、所定の間隔で繰り返し実行される。なお、本制御フローにおけるＳ１０１〜１０５は、図９に示すフローにおける各ステップと同一である。そのため、図９に示すフローと同一の処理が実行されるステップについては同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

また、図１３は、本実施例に係る燃焼制御に用いられる制御マップの一例を示している。図１３の上段（ａ）では、図１０（ａ）と同様、内燃機関１の機関負荷とプレ噴射燃料量の相関を線Ｌ２１で示し、該機関負荷とメイン噴射燃料量との相関を線Ｌ２２で示し、該機関負荷とポート噴射燃料量との相関を線Ｌ２３で示し、該機関負荷と該機関負荷に対応した燃料噴射量である負荷対応噴射量との相関を線Ｌ２０で示している。また、図１３の下段（ｂ）では、図１０（ｂ）と同様、内燃機関１の機関負荷とプレ噴射時期Ｔｐの相関を線Ｌ３１で示し、該機関負荷と点火時期Ｔｓとの相関を線Ｌ３０で示し、該機関負荷とメイン噴射時期Ｔｍとの相関を線Ｌ３２で示し、該機関負荷とポート噴射時期Ｔｐｔとの相関を線Ｌ３３で示している。そして、線Ｌ３１と線Ｌ３２との間隔が第１噴射インターバルＤｉ１を示し、線Ｌ３１と線Ｌ３０との間隔が点火インターバルＤｓを示している。また、図１３の下段（ｂ）においては、線Ｌ３０と線Ｌ３２との間隔が第２噴射インターバルＤｉ２を示している。

本実施例においても、実施例１と同様、内燃機関１の機関負荷が、低負荷領域Ｒ３または中負荷領域Ｒ４に属する場合は、基本燃焼制御が行われ、高負荷領域Ｒ５に属する場合は高負荷燃焼制御が行われる。つまり、本実施例においても、中負荷領域Ｒ４と高負荷領域Ｒ５との境界となる機関負荷Ｑｅ０が、本発明に係る「所定負荷」に相当する。

本実施例に係る制御フローにおいても、Ｓ１０３で肯定判定された場合、すなわち、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが低負荷領域Ｒ３または中負荷領域Ｒ４に属している場合は、実施例１と同様、Ｓ１０４およびＳ１０５の処理が実行されることで基本燃焼制御が実現される。一方、Ｓ１０３で否定判定された場合、すなわち、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが高負荷領域Ｒ５に属している場合、高負荷燃焼制御を実行すべく、次にＳ２０６の処理が実行される。

Ｓ２０６では、図１３に示す制御マップを用いて、高負荷燃焼制御を実現するための、ポート噴射燃料量Ｓｐｔ、メイン噴射燃料量Ｓｍ、ポート噴射時期Ｔｐｔ、メイン噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓが決定される。

ここで、高負荷領域Ｒ５において高負荷燃焼制御を実現するための各制御パラメータの値について説明する。図１３（ａ）で線Ｌ２３に示すように、高負荷領域Ｒ５では、ポート噴射燃料量Ｓｐｔは一定量に固定される。そして、上述したように、このときのポート噴射燃料量Ｓｐｔは、ポート噴射燃料によって形成される混合気の空燃比が、点火プラグ５による点火によって燃料が着火することで火炎は生じるが、該火炎の伝播ではポート噴射燃料の一部のみが燃焼する空燃比となるように設定されている。また、高負荷領域Ｒ５において、ポート噴射燃料量Ｓｐｔは一定量に固定されるため、ポート噴射時期Ｔｐｔも一定時期に固定される。上述したように、このときのポート噴射時期Ｔｐｔは、要求されているポート噴射燃料量Ｓｐｔを吸気行程中（すなわち、吸気弁９の開弁期間中）に噴射可能となる時期に設定されている。

また、高負荷領域Ｒ５では、機関負荷の増加に対してメイン噴射燃料量Ｓｍの増加によって対応する。図１３（ａ）で線Ｌ２２に示される、高負荷領域Ｒ５における負荷対応噴射量Ｓ０とメイン噴射燃料量Ｓｍとの相関は、以下の式４に従う。
Ｓｍ ＝ Ｓ０ −Ｓｐｔ×β ・・・（式４）
β：ポート噴射燃料の燃え残り率
βはポート噴射のみを用いて第２プレ燃焼を行った場合のポート噴射燃料の燃え残り率である。この燃え残り率は実験等に基づいて求めることができる。上記式４によれば、ポート噴射燃料の燃え残り率を考慮してメイン噴射燃料量Ｓｍが決定されている。これにより、適切なメイン噴射燃料量Ｓｍを求めることができる。ただし、上記式３における係数β´と同様、ポート噴射燃料量に対して点火プラグ５によるプレ噴霧への点火によって燃焼する分の燃料量（すなわち第２プレ燃焼によって燃焼する分の燃料量）が非常に少ない場合は、制御上、係数β＝１としてもよい。

また、高負荷領域Ｒ５においても、メイン噴射時期Ｔｍは圧縮行程上死点前の適正噴射時期に設定される。したがって、図１３（ｂ）で線Ｌ３２に示すように、メイン噴射時期Ｔｍは、機関負荷の変動に伴うメイン噴射燃料量Ｓｍの変動に応じて変動する。そして、高負荷領域Ｒ５においては、図１３（ｂ）に示すように、点火時期Ｔｓとメイン噴射時期Ｔｍとのインターバルである第２噴射インターバルＤｉ２が一定に維持される。そのため、高負荷領域Ｒ５では、図１３（ｂ）で線Ｌ３０に示すように、メイン噴射時期Ｔｍの変動に連動して点火時期Ｔｓが変動することになる。

図１２に示すフローチャートの説明に戻り、Ｓ２０６において高負荷燃焼制御を実現するための各制御パラメータの値が決定されると、次にＳ２０７の処理が実行される。Ｓ２０７においては、Ｓ２０６で決定されたポート噴射燃料量Ｓｐｔ、メイン噴射燃料量Ｓｍ、ポート噴射時期Ｔｐｔ、メイン噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓに従って、ポート噴射弁６２によるポート噴射と、筒内噴射弁６１によるメイン噴射と、点火プラグ５による点火とが実行される。これにより、本実施例に係る高負荷燃焼制御が実現される。

なお、図１３は、あくまで、本実施例に係る燃焼制御に用いられる制御マップの一例であって、内燃機関の機関負荷と、基本燃焼制御および高負荷燃焼制御における各制御パラメータとの相関は該図１３に示すものに限られるものではない。

また、上記実施例２においては、ポート噴射のみを用いた第２プレ燃焼を高負荷領域で行うものとした。しかしながら、第２プレ燃焼を低負荷領域または中負荷領域で行うこともできる。この場合、低負荷領域または中負荷領域でのスモークの発生量をより抑制することが可能となる。ただし、低負荷領域または中負荷領域では、一燃焼サイクル中の総燃料噴射量が比較的少ないため、十分な量のポート噴射燃料量を確保することが困難となり、ポート噴射燃料によって形成される混合気の空燃比が過剰に高くなる場合もある。この場合、プレ燃焼時における燃料の着火性が低下し、その結果、失火を招きやすくなる。したがって、プレ燃焼時における燃料の着火性の観点からすると、上記実施例２のように、低負荷領域または中負荷領域では、プレ噴射を用いた第１プレ燃焼を行うことが好ましい。

また、上記実施例１および２に係る高負荷燃焼制御では、ポート噴射を吸気行程中（すなわち、吸気弁９の開弁期間中）に実行するものとした。しかしながら、高負荷燃焼制御では、ポート噴射を実行することで燃焼室内に混合気が形成されればよい。そのため、第２プレ燃焼のためのポート噴射を排気行程中（すなわち、吸気弁９の閉弁期間中）に実行してもよい。この場合でも、ポート噴射弁６２によって吸気ポート７内に噴射された燃料が、吸気行程において吸入空気と共に気筒２内に流入する。これにより、燃焼室内に混合
気が形成される。

１・・・内燃機関
２・・・気筒
３・・・ピストン
５・・点火プラグ
６１・・筒内噴射弁
６２・・ポート噴射弁
７・・・吸気ポート
８・・・排気ポート
９・・・吸気弁
１０・・排気弁
２０・・ＥＣＵ
２１・・クランクポジションセンサ
２２・・アクセルポジションセンサ
７１・・スロットル弁
７２・・エアフローメータ

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射可能な筒内噴射弁と、
   内燃機関の吸気ポート内に燃料を噴射可能なポート噴射弁と、
   前記筒内噴射弁から噴射された噴霧が点火可能領域を通過し該噴霧に直接に点火可能となるように、該筒内噴射弁に対する相対位置が決定された点火装置と、
   内燃機関の機関負荷が所定負荷以下の運転領域において、圧縮行程中に前記筒内噴射弁によってプレ噴射を実行するとともに該プレ噴射によって形成されるプレ噴霧に対し前記点火装置によって点火を行うことで該プレ噴射によって噴射された燃料の一部を燃焼させて第１プレ燃焼を行う第１プレ燃焼部と、
   内燃機関の機関負荷が前記所定負荷より高い運転領域において、排気行程または吸気行程中に前記ポート噴射弁によってポート噴射を実行することで混合気を形成させるとともに、圧縮行程中に前記筒内噴射弁によってプレ噴射を実行することで該混合気中にプレ噴霧を形成させ、さらに、該プレ噴霧に対し前記点火装置によって点火を行うことで該第プレ噴射によって噴射された燃料の一部および該ポート噴射によって噴射された燃料の一部を燃焼させて第２プレ燃焼を行う第２プレ燃焼部と、
   前記第１プレ燃焼または前記第２プレ燃焼の発生後であり且つ圧縮行程上死点前の時期であって、前記第１プレ燃焼または前記第２プレ燃焼によって生じた火炎を起点として噴射燃料の燃焼が開始されるように設定されたメイン噴射時期に前記筒内噴射弁によるメイン噴射の実行を開始することで、燃料の自着火を発生させるとともに少なくとも該メイン噴射によって噴射された燃料の一部を拡散燃焼させてメイン燃焼を行うメイン燃焼部と、を備える内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射可能な筒内噴射弁と、
   内燃機関の吸気ポート内に燃料を噴射可能なポート噴射弁と、
   前記筒内噴射弁から噴射された噴霧が点火可能領域を通過し該噴霧に直接に点火可能となるように、該筒内噴射弁に対する相対位置が決定された点火装置と、
   排気行程または吸気行程中に前記ポート噴射弁によってポート噴射を実行することで混合気を形成させるとともに、圧縮行程中に燃焼室内において該混合気に対し前記点火装置によって点火を行うことで該ポート噴射によって噴射された燃料の一部を燃焼させてプレ燃焼を行うプレ燃焼部と、
   前記プレ燃焼の発生後であり且つ圧縮行程上死点前の時期であって、前記プレ燃焼によって生じた火炎を起点として噴射燃料の燃焼が開始されるように設定されたメイン噴射時期に前記筒内噴射弁によるメイン噴射の実行を開始することで、燃料の自着火を発生させるとともに少なくとも該メイン噴射によって噴射された燃料の一部を拡散燃焼させてメイン燃焼を行うメイン燃焼部と、を備える内燃機関の制御装置。
3. 前記プレ燃焼部が第２プレ燃焼部であり、前記プレ燃焼が第２プレ燃焼であって、
   圧縮行程中に前記筒内噴射弁によってプレ噴射を実行するとともに該プレ噴射によって形成されるプレ噴霧に対し前記点火装置によって点火を行うことで該プレ噴射によって噴射された燃料の一部を燃焼させて第１プレ燃焼を行う第１プレ燃焼部をさらに備え、
   内燃機関の機関負荷が所定負荷以下の運転領域では、前記第１プレ燃焼部が前記第１プレ燃焼を行い、
   内燃機関の機関負荷が前記所定負荷より高い運転領域では、前記第２プレ燃焼部が前記第２プレ燃焼を行い、
   前記メイン燃焼部が、前記第１プレ燃焼または前記第２プレ燃焼の発生後であり且つ圧縮行程上死点前の時期であって、前記第１プレ燃焼または前記第２プレ燃焼によって生じた火炎を起点として噴射燃料の燃焼が開始されるように設定されたメイン噴射時期に前記筒内噴射弁によるメイン噴射の実行を開始することで、前記メイン燃焼を行う請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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