JP2016089747A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、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内燃機関において、ディーゼル燃焼の安定性を向上させることを目的とする。【解決手段】圧縮行程中の第１噴射時期に第１噴射を実行するとともに第１点火装置によって燃料噴霧に点火することでプレ燃焼を生じさせ、第１点火装置による点火後且つ圧縮行程上死点前の時期であって、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時期として設定された第２噴射時期に第２噴射の実行を開始することで、燃料の自着火および拡散燃焼を生じさせる内燃機関において、第１点火装置を起点としてスワール流の回転方向において１８０度未満の角度で規定される所定領域内に第２点火装置を設置する。そして、プレ燃焼を生じさせる際に、第１点火装置による点火後であって第２噴射時期よりも前に、第２点火装置による点火を実行する。【選択図】図７

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２には、所定の運転領域において気筒内の予混合気を自己着火により燃焼させるガソリンエンジンに、主点火プラグおよび補助点火プラグを設置した構成が開示されている。この特許文献２には、エンジンが予混合気を自己着火させる運転領域外にあるときにノッキングの発生が検出された場合、主点火プラグによる予混合気への点火よりも進角側で補助点火プラグにより補助点火を行わせる技術も開示されている。

特開２００３−２５４１０５号公報 特開２００４−２８５９２５号公報

本発明は、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内燃機関において、ディーゼル燃焼の安定性を向上させることを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、燃焼室内に気筒中心軸周りの旋回流であるスワール流が発生する内燃機関の制御装置であって、複数の噴孔を有し、燃焼室内において気筒中心軸付近から気筒壁面側に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁から噴射された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、前記燃料噴射弁に対する相対位置が決定された第１点火装置と、圧縮行程中の第１噴射時期に前記燃料噴射弁による第１噴射を実行するとともに該第１噴射によって形成されるプレ噴霧に対し前記第１点火装置によって点火を行うことで該第１噴射によって噴射された燃料の一部を燃焼させるプレ燃焼を行うプレ燃焼部と、前記第１点火装置による前記プレ噴霧への点火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噴射時期とのインターバルが、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所定の噴射インターバルとなる第２噴射時期に前記燃料噴射弁による第２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第２噴射によって噴射された燃料の一部を拡散燃焼させるメイン燃焼を行うメイン燃焼部と、を備える内
燃機関の制御装置において、前記第１点火装置を起点としてスワール流の回転方向において１８０度未満の角度で規定される所定領域内であり、且つ、燃焼室内における前記燃料噴射弁の燃料噴射位置からの距離が前記第１点火装置よりも大きい位置に設置された第２点火装置をさらに備え、前記プレ燃焼部が、前記プレ燃焼を行う際に、前記第１点火装置での点火時期である第１点火時期より後であって前記第２噴射時期よりも前の所定の第２点火時期に、前記第２点火装置による点火を実行する。

本発明によれば、プレ燃焼を行う際のプレ噴霧の着火性を向上させることができる。その結果、ディーゼル燃焼の安定性を向上させることができる。

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に示す内燃機関における第１点火プラグ及び第２点火プラグの配置を示す第１の図である。 図１に示す内燃機関における第１点火プラグ及び第２点火プラグの配置を示す第２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において第１噴射燃料量と第２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率の推移の変化を示す図である。 本発明の実施例に係る低負荷燃焼制御に関する第１噴射と第２噴射、および点火の時間的相関を示す図である。 本発明の実施例に係る燃焼制御のフローを示すフローチャートである。 本発明の参考例に係る、プレ燃焼を行う際の、内燃機関１の機関負荷と、第１点火プラグおよび第２点火プラグによる点火時期、第１噴射燃料量、第１噴射燃料の燃え残り率との相関を示す図である。

［実施例］
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。また、内燃機関１は、各気筒２の燃焼室内において、気筒２の中心軸周りの旋回流であるスワール流が発生するように構成されている。ただし、気筒２の中心軸とスワール流の中心軸とが厳密に一致している必要はない。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、筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁６が、気筒２内に形成される燃焼室の中央頂部付近に設置されている。さらに、各気筒２には、燃料噴射弁６から噴射された燃料に対して点火可能な第１点火プラグ５１および第２点火プラグ５２が設置されている。図２および３は、本実施例に係る第１点火プラグ５１および第２点火プラグ５２の設置位置を示す図である。図２に示すように、第１点火プラグ５１は、吸気ポート７の開口部と排気ポート８の開口部との間に設けられている。第２点火プラグ５２は、第１点火プラグ５１を起点としてスワール流の回転方向（図２では右回りの方向）において１８０度未満の角度で規定される領域α（図２において斜線で示す領域）内に設けられている。具体的には、第２点火プラグ５２は、二つの排気ポート８の開口部の間に配置されている。また、燃料噴射弁６の燃料噴射位置から第１点火プラグ５１までの距離Ｌ１よりも、燃料噴射弁６の燃料噴射位置から第２点火プラグ５２までの距離Ｌ２の方が大きくなっている。

図３は、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧と二つの点火プラグ５１，５２との位置関係を示している。燃料噴射弁６は、図３に示すように燃焼室の中心軸付近から気筒壁面側に向かって概ね放射状に１６方向に燃料を噴射可能となるように噴孔６ａを有している。そして、第１点火プラグ５１のおよび第２点火プラグ５２の点火可能領域であるそれぞれの電極間の領域５１ａ，５２ａに対して、噴孔６ａ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、燃料噴射弁６に対する第１点火プラグ５１および第２点火プラグ５２の相対位置が決定されている。これにより、領域５１ａを通過した噴霧に対しては、第１点火プラグ５１の電極間で生じる火花によって直接点火できるようになっている。また、領域５２ａを通過した噴霧に対しては、第２点火プラグ５２の電極間で生じる火花によって直接点火できるようになっている。

なお、本発明に係る第１点火装置の設置位置は、吸気ポートの開口部と排気ポートの開口部との間に限られるものではない。また、本発明に係る第２点火装置の設置位置は、二つの排気ポートの開口部の間に限られるものではない。また、本発明においては、第２点火プラグは、第１点火プラグを起点としてスワール流の回転方向において１８０度未満の角度で規定される領域内に設けられる必要があるが、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が第２点火プラグの点火可能領域を通過することは必ずしも必要ではない。

上記のように構成された第１点火プラグ５１および第２点火プラグ５２と燃料噴射弁６とは、スプレーガイド燃焼を実現可能とする。すなわち、燃料噴射弁６からの噴射燃料に対して直接点火できるように配置される第１点火プラグ５１および第２点火プラグ５２と、該燃料噴射弁６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５１ａまたは５２ａを通過する噴射燃料に対する点火を可能とする。なお、燃料噴射弁からの噴射燃料に対して点火プラグにより直接点火する他の燃焼方式として、従来、エアガイド燃焼やウォールガイド燃焼が知られている。エアガイド燃焼では、燃料噴射弁からの噴射燃料を、吸気弁の開弁により燃焼室内に流れ込んだ空気流に乗せて点火プラグ近傍に運び、該点火プラグによって点火する。ウォールガイド燃焼では、ピストンの頂部に形成されたキャビティの形状を利用して点火プラグ近傍に噴射燃料を運び、該点火プラグによって点火する。ただし、これらのエアガイド燃焼やウォールガイド燃焼では、吸気弁の開弁時期やピストン位置が所定の状態とならなければ燃料噴射や点火を行うことが困難となる。そのため、本実施例に係るスプレーガイド燃焼は、これらのエアガイド燃焼やウォールガイド燃焼と比べて、非常に自由度の高い燃料噴射及び点火時期制御が可能となる。

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、燃料噴射弁６、第１点火プラグ５１、第２点火プラグ５２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４に基づいて説明する。図４は、図の左側から右側に進む時系列において、内燃機関１で行われる燃焼制御に関する燃料噴射及び点火の流れ（図４（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４（ａ）の下段を参照）を模式的に示したものである。また、図４（ｂ）には、図４（ａ）に示す燃料噴射である第１噴射と第２噴射、および点火の時間的相関が示されている。なお、図４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。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、燃料噴射弁６によって第１噴射と第２噴射とが実行される。第１噴射は圧縮行程中に実行される燃料噴射である。第２噴射は、第１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、第２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４（ｂ）に示すように、第１噴射の噴射開始時期（以下、単に「第１噴射時期」と称する）をＴｐとし、第２噴射の噴射開始時期（以下、単に「第２噴射時期」と称する）をＴｍとする。また、第１噴射時期と第２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、第１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。基本燃焼制御における第１噴射におけるスプレーガイド燃焼は、第１点火プラグ５１による点火によって行われる。つまり、第１噴射によって噴射された燃料（以下、「第１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第１点火プラグ５１による点火が行われる。この基本燃焼制御における第１点火プラグ５１の点火時期を「第１点火時期」と称する。この第１点火時期を、図３（ｂ）に示すようにＴｓ１とし、第１噴射の実行が開始されてから第１点火時期までの間隔（Ｔｓ１−Ｔｐ）を第１点火インターバルＤｓ１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）第１噴射
基本燃焼制御では、一燃焼サイクル中において、先ず、圧縮行程中の第１噴射時期Ｔｐに第１噴射が行われる。なお、第１噴射時期Ｔｐは、後述する第２噴射時期Ｔｍとの相関
に基づいて決定される。第１噴射が実行されることで、図３に示すように、燃料噴射弁６から噴射された第１噴射燃料のプレ噴霧は、燃焼室内において第１点火プラグ５１の点火可能領域５１ａを通過する。このように第１噴射の実行が開始された直後においては、第１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、第１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）第１噴射燃料への点火
そして、上記のように成層化された第１噴射燃料のプレ噴霧に対して、第１噴射時期から所定の第１点火インターバルＤｓ１が経過した第１点火時期Ｔｓ１に、第１点火プラグ５１による点火が行われる。上記の通り、第１噴射燃料は成層化されているため、該第１噴射燃料量が少量であっても第１点火プラグ５１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、第１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第１点火インターバルＤｓ１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、第１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、そのうちの多くは第１点火プラグ５１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、第１噴射燃料によって形成された成層混合気における第１点火プラグ５１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、燃焼室内で第１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。

（３）第２噴射
次に、第１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第２噴射時期Ｔｍ（第１点火プラグ５１による第１点火時期Ｔｓ１からＤｉ−Ｄｓ１の時間が経過した時期Ｔｍ）に、燃料噴射弁６による第２噴射の実行が開始される。なお、内燃機関１においては、後述するように第２噴射燃料は自着火および拡散燃焼に供され、機関出力に寄与することになる。そのため、第２噴射時期Ｔｍは、機関負荷等によって決定される量の第２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、第２噴射燃料の燃焼は、第１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、第２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第２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。第２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、第１噴射時期Ｔｐは必然的に決まることになる。そして、第２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、第１噴射燃料の燃え残りと第２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、上記のように第１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、第２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。

このように、本実施例に係る基本燃焼制御では、第１噴射、点火、および第２噴射によって上述のような一連の燃焼が行われることになる。なお、本明細書において、このように第１噴射燃料のプレ噴霧への点火によって生じる火炎を起点とした第２噴射燃料の燃焼開始と、それに続く第１噴射燃料のうちの燃え残り燃料と第２噴射燃料との自着火および拡散燃焼とが可能となる第１噴射と第２噴射との相関を、「第１−第２噴射相関」と称す
る。つまり、本実施例に係る基本燃焼制御では、第１噴射および第１噴射燃料に対する点火に対して第１−第２噴射相関を有する第２噴射が行われる。

ここで、図５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５においては、内燃機関１の機関回転速度が２０００ｒｐｍであるときの、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、第１噴射時期Ｔｐ、第１噴射燃料量（すなわち、第１噴射の実行期間）、第２噴射時期Ｔｍ、点火時期Ｔｓは同一となっているが、第２噴射燃料量（すなわち、第２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、第２噴射燃料量は、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４となっている。つまり、図４には、同一の第１−第２噴射相関が成立していることを前提条件としたときの第２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５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、第１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、第２噴射はまだ行われておらず、燃焼室内には第１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第１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。

そして、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において第２噴射の実行が開始される。このとき、第２噴射燃料は、上述したように、先ずは、第１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、第１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５では、第２噴射燃料量の増加にしたがって（すなわち、第２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、第２噴射燃料量の増加にしたがって第２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、第２噴射燃料および第１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（第１噴射燃料量と第２噴射燃料量との合計）を一定としたまま第１噴射燃料量と第２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。なお、図６においては、内燃機関１の機関回転速度が２０００ｒｐｍとされる。また、Ｌ９の形態の方がＬ８の形態に比べて第１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、第１噴射燃料量が多く、その結果、第１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、第２噴射開始後の第１噴射燃料の燃え残りおよび第２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、第１噴射燃料の燃え残りが第２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。

以上説明したように、本実施例に係る基本燃焼制御では、第１噴射と第１点火プラグ５
１での点火とによるスプレーガイド燃焼ののちに第２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、第２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、第２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、第２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、燃料噴射弁６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、第２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、第２噴射燃料量があまりに増量されると、第２噴射燃料の噴霧の周囲に存在する酸素、即ち、第２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、第２噴射後に燃料の自着火を生じさせる必要があるが、第２噴射燃料量が過剰に多くなると、該第２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、第１噴射は圧縮行程中の第１噴射時期Ｔｐに行われる。そのため、第１噴射燃料が第１点火プラグ５１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、第１噴射燃料のプレ噴霧への点火による燃焼では、第２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、第１噴射燃料において、点火による燃焼に供されるのは、そのうちの一部である。そのため、当該第１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第１噴射燃料の燃え残りは第２噴射後において第２噴射燃料とともに自着火および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、第１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、第２噴射時期において、第１噴射燃料の燃え残りは燃焼室内で第２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、第１噴射燃料の燃え残りが自着火および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、第１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、第２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。

＜低負荷燃焼制御＞
次に、本実施例において、内燃機関１の機関負荷が所定負荷以下の運転領域である低負荷領域において実行される低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で行われる低負荷燃焼制御に関する第１噴射、第２噴射、第１点火、および第２点火の時間的相関を示す図である。

低負荷領域においては、一燃焼サイクル中における総燃料噴射量が相対的に少ない量となるため、必然的に第１噴射燃料量も少なくなる。そのため、第１噴射を実行した際に、第１点火プラグ５１の点火可能領域５１ａを通過する燃料が少なくなる。その結果、第１
点火プラグ５１による点火を行った時にプレ噴霧の着火が生じ難くなる。つまり、低負荷領域においても、内燃機関１の機関負荷が所定負荷より高い運転領域である高負荷領域と同様に上記のような基本燃焼制御を実行すると、プレ噴霧の着火性が低下する虞がある。そして、プレ噴霧の着火が生じないと、第２噴射燃料を燃焼させるための火種が形成されないことになる。したがって、プレ噴霧の着火性が低下すると、ディーゼル燃焼の安定性が低下することになる。

そこで、本実施例では、低負荷領域において、プレ燃焼を行う際に、第１点火プラグ５１によるプレ噴霧への点火（以下、「第１点火」と称する場合もある）に加えて第２点火プラグ５２による第２点火を実行する低負荷燃焼制御が行われる。図７においては、第２点火の点火時期である「第２点火時期」をＴｓ２とする。図７に示すように、第２点火時期Ｔｓ２は、第１点火時期Ｔｓ１より後であって第２噴射時期Ｔｍより前の所定の時期に定められている。

ここで、本実施例に係る内燃機関１では、上述したように、燃焼室内においてスワール流が発生している。そのため、第１点火プラグ５１の点火可能領域５１ａを通過したが、第１点火プラグ５１による点火では着火しなかったプレ噴霧（以下、「点火後プレ噴霧」と称する）は、スワール流の流れ方向（図２における右回りの方向）に流れていく。また、燃料噴射弁６から噴射されたプレ噴霧自体が有する運動エネルギーは、気筒中心軸側から気筒壁面側に向かう方向に作用している。したがって、点火後プレ噴霧は、スワール流の流れ方向に流れつつ、気筒壁面の方向（すなわち、燃料噴射弁６の燃料噴射位置から離れる方向）に移動することになる。一方で、第２点火プラグ５２は、上述したように、第１点火プラグ５１を起点としてスワール流の回転方向において１８０度未満の角度で規定される領域α内の位置である二つの排気ポート８の開口部の間に配置されている。さらに、燃料噴射弁６の燃料噴射位置から第１点火プラグ５１までの距離Ｌ１よりも、燃料噴射弁６の燃料噴射位置から第２点火プラグ５２までの距離Ｌ２の方が大きくなっている。つまり、第２点火プラグ５２は点火後プレ噴霧の進行方向に位置している。そして、点火後プレ噴霧は、第１点火プラグ５１による点火によって、着火はしなくとも、その温度が、第１点火以前のプレ噴霧の温度よりも高くなっている。つまり、点火後プレ噴霧は、第１点火以前のプレ噴霧よりも点火によって着火し易い状態となっている。したがって、第２点火時期Ｔｓ２において第２点火プラグ５２により第２点火が行われると、点火後プレ噴霧が着火する可能性が高い。そのため、第１点火に加えて第２点火を行うことで、プレ燃焼における着火性を向上させることができる。その結果、第２噴射燃料を燃焼させるための火種がより高い確率で形成されることになるため、ディーゼル燃焼の安定性を向上させることができる。

なお、第２点火プラグ５２による第２点火によって点火後プレ噴霧を着火させるためには、点火後プレ噴霧が第２点火プラグ５２の点火可能領域５２ａに位置するタイミングで第２点火を行うことが好ましい。そのため、本実施例に係る低負荷燃焼制御では、第１点火時期Ｔｓ１と第２点火時期Ｔｓ２との間隔（Ｔｓ２−Ｔｓ１）が、点火後プレ噴霧が第１点火プラグ５１の点火可能領域５１ａから第２点火プラグ５２の点火可能領域５２ａに到達するまでの期間である所定の第２点火インターバルＤｓ２となるように、第２点火時期Ｔｓ２が決定される。ここで、クランクアングルで規定される第２点火インターバルＤｓ２は、スワール流の回転方向において第１点火プラグ５１の点火可能領域５１ａと第２点火プラグ５２の点火可能領域５２ａとがなす角度、および、気筒２の燃焼室内に発生するスワール流のスワール比に基づいて定めることができる。つまり、第２点火インターバルＤｓ２は、内燃機関１の機関負荷および機関回転速度によらず一定値となる。

＜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８に基づいて説明する。図８
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。

本フローでは、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。次に、Ｓ１０２において、Ｓ１０１で算出された機関負荷Ｑｅが所定負荷Ｑｅ０より高いか否かが判別される。所定負荷Ｑｅ０は、低負荷領域と高負荷領域とを区分けする閾値である。所定負荷Ｑｅ０は、実験等に基づいて予め定められており、ＥＣＵ２０に記憶されている。Ｓ１０２において肯定判定された場合、すなわち、内燃機関１の機関負荷が高負荷領域に属する場合、次にＳ１０３の処理が実行される。

Ｓ１０３においては、基本燃焼制御を実現するための第１噴射燃料量Ｓｐ、第２噴射燃料量Ｓｍ、第１噴射時期Ｔｐ、第２噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓが、Ｓ１０１で算出された機関負荷Ｑｅに基づいて決定される。第１噴射燃料量Ｓｐ、第２噴射燃料量Ｓｍ、第１噴射時期Ｔｐ、第２噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓと、機関負荷Ｑｅとの関係は、上述した第１−第２噴射相関が成立可能な関係として、実験等に基づいて予め定められている。そして、これらの関係がマップとしてＥＣＵ２０に記憶されている。当該マップにおいては、機関負荷Ｑｅの増加に伴い第１噴射燃料量Ｓｐを増加させる場合、その増加量に応じて第１噴射時期Ｔｐおよび点火時期Ｔｓが進角されている。第１噴射時期Ｔｐが進角されると、気筒２内の圧力がより低い状態で第１噴射が実行されることになる。つまり、第１噴射時期Ｔｐが進角されるほど、第１噴射燃料のプレ噴霧のペネトレーションが相対的に大きくなる。そのため、第１点火プラグ５１による点火によって生じた火炎が伝播せずに燃え残る燃料が増加する。したがって、第１噴射燃料量Ｓｐを増加させる場合に、その増加量に応じて第１噴射時期Ｔｐおよび点火時期Ｔｓを進角させることで、第１噴射燃料の燃え残り率を高めることができる。Ｓ１０３では、当該マップを用いて第１噴射燃料量Ｓｐ、第２噴射燃料量Ｓｍ、第１噴射時期Ｔｐ、第２噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓが決定される。

次に、Ｓ１０４において、Ｓ１０３で決定された第１噴射燃料量Ｓｐ、第２噴射燃料量Ｓｍ、第１噴射時期Ｔｐ、第２噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓに従って、燃料噴射弁６による第１噴射および第２噴射、第１点火プラグ５１による点火が実行される。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、Ｓ１０２において否定判定された場合、すなわち、内燃機関１の機関負荷が低負荷領域に属する場合、次にＳ１０５の処理が実行される。Ｓ１０５においては、低負荷燃焼制御を実現するための第１噴射燃料量Ｓｐ、第２噴射燃料量Ｓｍ、第１噴射時期Ｔｐ、第２噴射時期Ｔｍ、第１点火時期Ｔｓ１、および第２点火時期Ｔｓ２が、Ｓ１０１で算出された機関負荷Ｑｅに基づいて決定される。ここで、第１噴射燃料量Ｓｐ、第２噴射燃料量Ｓｍ、第１噴射時期Ｔｐ、第２噴射時期Ｔｍ、および第１点火時期Ｔｓ１と、機関負荷Ｑｅとの関係は、基本燃焼制御の場合と同様、上述した第１−第２噴射相関が成立可能な関係として、実験等に基づいて予め定められている。そして、第２点火時期Ｔｓ２は、第１点火時期Ｔｓ１との間隔が上述した第２点火インターバルＤｓ２となるように予め定められている。このような低負荷燃焼制御における第１噴射燃料量Ｓｐ、第２噴射燃料量Ｓｍ、第１噴射時期Ｔｐ、第２噴射時期Ｔｍ、第１点火時期Ｔｓ１、および第２点火時期Ｔｓ２と、機関負荷Ｑｅとの関係もマップとしてＥＣＵ２０に記憶されている。そして、Ｓ１０５では、当該マップを用いて第１噴射燃料量Ｓｐ、第２噴射燃料量Ｓｍ、第１噴射時期Ｔｐ、第２噴射時期Ｔｍ、第１点火時期Ｔｓ１、および第２点火時期Ｔｓ２が決定される。

次に、Ｓ１０６において、Ｓ１０５で決定された第１噴射燃料量Ｓｐ、第２噴射燃料量Ｓｍ、第１噴射時期Ｔｐ、第２噴射時期Ｔｍ、第１点火時期Ｔｓ１、および第２点火時期Ｔｓ２に従って、燃料噴射弁６による第１噴射および第２噴射、第１点火プラグ５１による第１点火、第２点火プラグ５２による第２点火が実行される。これにより、本実施例に係る低負荷燃焼制御が実現される。

＜変形例＞
なお、プレ燃焼を行う際に、第１点火プラグ５１による第１点火に加えて第２点火プラグ５２による第２点火を実行する内燃機関１の運転領域を、必ずしも低負荷領域に限る必要はない。つまり、内燃機関１の機関負荷が高負荷領域に属するときにおいても、プレ燃焼を行う際に、第１点火プラグ５１による第１点火に加えて第２点火プラグ５２による第２点火を実行してもよい。この場合、高負荷領域においても、プレ噴霧の着火性を向上させることができるため、ディーゼル燃焼の安定性を向上させることができる。

また、内燃機関１が、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気系に導入する、所謂ＥＧＲ装置を備えている場合、ＥＧＲガスは不活性ガスであるため、吸気のＥＧＲ率が高いほど、プレ噴霧の着火性が低下する。そこで、この場合は、吸気のＥＧＲ率が所定値より高いときに、上述した低負荷燃焼制御と同様に、第１点火プラグ５１による第１点火に加えて第２点火プラグ５２による第２点火を実行してもよい。これによれば、吸気のＥＧＲ率が高いときにおけるプレ噴霧の着火性を向上させることができる。

また、内燃機関１が、機関回転速度または気筒２内の圧力等に基づいて該内燃機関１における失火の発生を検知する手段を備えている場合、当該手段によって失火が検知された場合に、第１点火プラグ５１による第１点火に加えて第２点火プラグ５２による第２点火を実行してもよい。

［参考例］
本参考例に係る内燃機関の構成は上記実施例と同様である。また、本参考例においても、上記実施例と同様、第１噴射燃料によって形成されるプレ噴霧に対し点火プラグによって点火することでプレ燃焼が行われるとともに、該プレ燃焼によって生じた火炎を起点として第２噴射燃料および第１噴射燃料の燃え残りを自着火燃焼または拡散燃焼させるメイン燃焼が行われる。ただし、本参考例では、プレ燃焼を行う際の点火プラグによる点火形態が上記実施例とは異なっている。

図９は、本参考例に係る、プレ燃焼を行う際の、内燃機関１の機関負荷と、第１点火プラグ５１および第２点火プラグ５２による点火時期、第１噴射燃料量、第１噴射燃料の燃え残り率との相関を示す図である。図９に示すように、本参考例においては、内燃機関１の機関負荷の上昇に応じて第１噴射燃料量が増加する。そして、機関負荷が所定負荷Ｑｅ１以下である低負荷領域では、プレ燃焼時に第１点火プラグ５１および第２点火プラグ５２によって点火が行われる。ここで、内燃機関１の機関負荷が低負荷領域における最低負荷Ｑｅｍｉｎ（例えば、アイドリング時の機関負荷）の場合、上述した実施例の基本燃焼制御における第１点火プラグ５１による点火時期（すなわち、第１噴射時期との間隔が、スプレーガイド燃焼が可能となる第１点火インターバルとなる時期。以下、この時期を「基本点火時期」と称する。）と同一の時期に、第１点火プラグ５１と第２点火プラグ５２との両方の点火が同時に実行される。そして、機関負荷の上昇に応じて第１噴射燃料量が増加するために第１噴射時期が進角するのに伴い、第１点火プラグ５１による点火時期（第１点火時期）および第２点火プラグ５２による点火時期（第２点火時期）も進角される。ただし、このときに、第１点火時期が基本点火時期に維持されるように進角される一方で、第２点火時期は、第１点火時期との間隔である第２点火インターバルが、第１噴射燃料量が増加するほど大きくなるように進角される。つまり、第１噴射燃料量の増加量に対
する進角量が、第１噴射時期よりも第２噴射時期の方が小さくなっている。また、機関負荷が所定負荷Ｑｅ１より高い高負荷領域では、プレ燃焼時に第２点火プラグ５２のみによって点火が行われる。このとき、第２点火時期が基本点火時期となるように制御される。

図３に示したように、内燃機関１においては、第１点火プラグ５１のみならず第２点火プラグ５２も、燃料噴射弁６の噴孔６ａから噴射された燃料噴霧がその点火可能領域５２ａを通過するような位置、すなわち、第２点火プラグ５２による点火によってもスプレーガイド燃焼が可能な位置に設置されている。そのため、基本点火時期に第１点火プラグ５１に加えて第２点火プラグ５２によっても点火が行われることで、スプレーガイド燃焼によって燃焼する第１燃料噴射量が最も多くなる。そこで、本参考例では、上記のように、機関負荷が最低負荷Ｑｅｍｉｎのとき、すなわち、第１噴射燃料量が最も少ないときは、基本点火時期に第１点火プラグ５１および第２点火プラグ５２の両方によって同時に点火を行う。これにより、本参考例では、機関負荷が最低負荷Ｑｅｍｉｎのときに第１噴射燃料の燃え残り率が最も小さくなる。

そして、低負荷領域では、機関負荷の上昇に伴い第１噴射燃料量が増加すると、第１点火時期を基本点火時期に維持しつつ、基本点火時期に対して第２点火時期を遅角させる。基本点火時期に対する第２点火時期の遅角量（すなわち、第２点火インターバル）が大きくなるほど、第１噴射時期において燃料噴射弁６から燃料が噴射された際に第２点火プラグ５２の点火可能領域５２ａを通過した燃料噴霧が該点火可能領域５２ａからよりずれたタイミングで第２点火が実行されることになる。そのため、第２点火プラグ５２による点火によって燃焼する第１噴射燃料が減少する。したがって、第１噴射燃料の燃え残り率が増加することになる。

そして、低負荷領域よりも第１噴射燃料が増加する高負荷領域においては、第２点火プラグ５２による点火のみによってスプレーガイド燃焼が行われる。この場合、第１点火プラグ５１および第２点火プラグ５２の両方の点火が行われる場合に比べて第１噴射燃料の燃え残り率が増加することになる。したがって、高負荷領域では低負荷領域に比べて第１噴射燃料の燃え残り率が高くなる。なお、高負荷領域においては低負荷領域に比べて第１噴射燃料量が増加するためプレ噴霧のペネトレーションが大きくなっている。したがって、燃料噴射弁６の燃料噴射位置からの距離がより大きい第２点火プラグ５２（図２においてＬ１＜Ｌ２）の方が、スプレーガイド燃焼を行うべくプレ噴霧に点火する点火プラグとしては、第１点火プラグ５１よりも適している。そのため、一つの点火プラグによってスプレーガイド燃焼を行う高負荷領域においては、基本点火時期に第２点火プラグ５２による点火を実行する。

プレ燃焼を行う際に第１点火プラグ５１および第２点火プラグ５２を上記のように制御することで、図９に示すように、機関負荷の増加に伴って第１噴射燃料量が増加するほど第１噴射燃料の燃え残り率を高めることができる。これにより、第１噴射燃料量の増加に伴うスモークの増加を抑制することが可能となる。

１・・・内燃機関
２・・・気筒
３・・・ピストン
５１・・第１点火プラグ
５２・・第２点火プラグ
６・・・燃料噴射弁
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 (1)

1. 燃焼室内に気筒中心軸周りの旋回流であるスワール流が発生する内燃機関の制御装置であって、
   複数の噴孔を有し、燃焼室内において気筒中心軸付近から気筒壁面側に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁から噴射された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、前記燃料噴射弁に対する相対位置が決定された第１点火装置と、
   圧縮行程中の第１噴射時期に前記燃料噴射弁による第１噴射を実行するとともに該第１噴射によって形成されるプレ噴霧に対し前記第１点火装置によって点火を行うことで該第１噴射によって噴射された燃料の一部を燃焼させるプレ燃焼を行うプレ燃焼部と、
   前記第１点火装置による前記プレ噴霧への点火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噴射時期とのインターバルが、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所定の噴射インターバルとなる第２噴射時期に前記燃料噴射弁による第２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第２噴射によって噴射された燃料の一部を拡散燃焼させる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において、
   前記第１点火装置を起点としてスワール流の回転方向において１８０度未満の角度で規定される所定領域内であり、且つ、燃焼室内における前記燃料噴射弁の燃料噴射位置からの距離が前記第１点火装置よりも大きい位置に設置された第２点火装置をさらに備え、
   前記プレ燃焼部が、前記プレ燃焼を行う際に、前記第１点火装置での点火時期である第１点火時期より後であって前記第２噴射時期よりも前の所定の第２点火時期に、前記第２点火装置による点火を実行する内燃機関の制御装置。

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