(57)【要約】【課題】インジェクタからの燃料噴霧の一部がタンブル流の流れ方向の下流側に位置する点火プラグの方向に向かい、且つ、点火プラグに最も近づく燃料噴霧の外郭面よりも上方となる範囲に点火プラグの電極部が配置される機関構成によって排気浄化触媒の活性化制御を行う場合に、当該外郭面と当該電極部との距離が拡大したときの対策を講ずる。【解決手段】触媒暖機制御中は、吸気行程噴射と圧縮行程噴射が行われる（図７上段）。触媒暖機制御中は、電極部３４での放電期間が圧縮上死点よりも遅角側に設定されており、放電期間中に膨張行程噴射が行われる。但し、噴霧外郭面と電極部３４との間の距離が拡大した場合、膨張行程噴射（２回目噴射）に先駆ける形で追加噴射（１回目噴射）が行われると共に、膨張行程噴射に対応する放電（２回目放電）と、追加噴射に対応する放電（１回目放電）とが行われる（図７下段）。【選択図】図７
2018003751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室上部に設けられて筒内に燃料を直接噴射するインジェクタと、
電極部で発生させた放電火花を用いて筒内の混合気に点火する点火プラグであって、前記燃焼室上部、且つ、前記燃焼室内に形成されるタンブル流の流れ方向において前記インジェクタよりも下流側に設けられると共に、前記インジェクタから前記点火プラグに向けて噴射される燃料噴霧の外郭面よりも前記電極部の位置が上方となるように設けられた点火プラグと、
前記燃焼室からの排気を浄化する排気浄化触媒と、を備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
前記制御装置は、前記排気浄化触媒を活性化させる制御として、圧縮上死点よりも遅角側の所定期間で放電火花が発生するように前記点火プラグを制御すると共に、前記圧縮上死点よりも遅角側での膨張行程噴射であって、噴射期間が前記所定期間の少なくとも一部と重複し、尚且つ、終了時期が前記所定期間の終了時期よりも進角側となる膨張行程噴射と、前記膨張行程噴射が行われるサイクルと同じサイクルでの吸気行程噴射と、を行うように前記インジェクタを制御し、
前記制御装置は更に、前記吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気と放電火花とから生じた初期火炎の成長速度が所定の判定値を下回ると判定された場合、前記吸気行程噴射と前記膨張行程噴射が行われるサイクルと同じサイクルでの追加噴射であって、前記圧縮上死点よりも遅角側、且つ、前記膨張行程噴射の噴射開始時期および前記所定期間の開始時期よりも進角側での追加噴射を行うように前記インジェクタを制御すると共に、前記追加噴射の噴射開始時期よりも進角側から開始され、且つ、前記膨張行程噴射の噴射開始時期よりも遅角側において満了する放電期間において放電火花が発生するように前記点火プラグを制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、インジェクタと点火プラグを燃焼室に備えると共に、燃焼室からの排気を浄化する触媒（排気浄化触媒）を備える内燃機関を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１１−１０６３７７号公報には、燃焼室上部に設けられる点火プラグとインジェクタの位置関係に関する構成に関する技術と、この構成を前提とした当該点火プラグと当該インジェクタの制御方法に関する技術が開示されている。この構成は、具体的に、点火プラグの放電ギャップの中心位置から当該点火プラグに最も近いインジェクタの噴孔の中心位置までの距離と、当該放電ギャップの中心位置から当該噴孔から噴射された燃料噴霧の中心軸までの距離と、を特定の範囲に設定するものである。
【０００３】
また、この構成を前提とした制御方法は、インジェクタからの燃料噴射を開始してから所定時間の経過後に、この燃料噴射期間に亘り、点火プラグへの高電圧の印加を行うものである。インジェクタから高圧状態で噴射された燃料は、その周囲の空気を持ち去ることで低圧部を形成する（エントレインメント）。そのため、燃料噴射期間に点火プラグへの高電圧の印加を行う上記制御方法によれば、燃料噴霧の周囲に低圧部を形成して、放電ギャップに生じた放電火花をこの低圧部に誘引することができる。よって、点火プラグの周辺に形成される混合気の着火性を向上させることができる。
【０００４】
これに加え、上記公報では、上述した誘引作用の活用例として、機関始動時における排気浄化触媒の活性化制御が挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１０６３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで本発明者は、上記公報とは異なる機関構成において、排気浄化触媒の活性化制御を検討しているところである。検討に係る機関構成は、点火プラグとインジェクタの位置関係に関する構成において上記公報の機関構成と類似している。但し、検討に係る機関構成は、燃焼室に供給される吸気からタンブル流が形成される点において上記公報の機関構成と異なっており、タンブル流の流れ方向で見たときにインジェクタの下流側に点火プラグが配置される機関構成となっている。
【０００７】
燃焼室に形成されるタンブル流は、排気ポート側では燃焼室上部から下部に向かい、吸気ポート側では燃焼室下部から上方に向かうように旋回しており、検討に係る制御はこのようなタンブル流を前提としている。検討に係る制御は、具体的に、吸気行程において噴射を行って燃料噴霧をタンブル流と共に燃焼室内を旋回させつつ、点火プラグによる点火の開始時期（つまり、点火プラグへの高電圧の印加開始時期）を圧縮上死点よりも遅角側に設定するものである。これに加え、検討に係る制御では、点火プラグへの高電圧の印加中に、その噴射期間が終了するような膨張行程での噴射を行う。
【０００８】
上記膨張行程での噴射を行えば、上記公報での誘引作用と同様の作用が得られる。すなわち、インジェクタから噴射されて点火プラグの方向に向かう燃料噴霧の周囲に形成された低圧部に、点火プラグで生じた放電火花を誘引することができる。また、上記公報での誘引作用に加えて、検討に係る制御によれば、放電火花だけでなく、吸気行程での噴射による燃料噴霧を含む混合気とこの放電火花とから生じた初期火炎をも誘引することができる。従って、上記膨張行程での噴射による燃料噴霧に、誘引された初期火炎を接触させて成長させることができるので、当該初期火炎を成長させる燃焼を安定化させて、燃焼変動を抑えることができる。
【０００９】
しかし、上記公報でも言及されているように、上述した誘引作用は、点火プラグの放電ギャップの中心位置から、インジェクタの噴孔から噴射された燃料噴霧の中心軸までの距離が重要である。検討に係る制御にもこれは当てはまる。すなわち、上記膨張行程での噴射によって点火プラグの方向に向かう燃料噴霧の外郭面と、当該点火プラグとの間の距離が重要である。このため、外郭面と点火プラグとの間の距離が拡大したような場合には、上記膨張行程での噴射に基づいた、放電火花や初期火炎の誘引作用が不十分となる可能性がある。
【００１０】
上記膨張行程での噴射による誘引作用が不十分の場合であっても、当該噴射による燃料噴霧に初期火炎を接触させて成長させることは可能である。しかし、この誘引作用が不十分であるということは、上記膨張行程での噴射による燃料噴霧に初期火炎が十分に引き寄せられておらず、初期火炎の周囲の混合気の濃度が高まっていないことを意味する。故に、誘引作用が不十分の場合は、初期火炎の成長が抑制されてしまう。そして、検討に係る制御中の燃焼サイクルにおいて、このような事態が発生するサイクルが多くなれば、サイクル間の燃焼変動が大きくなるので、ドライバビリティに影響が出てしまう。
【００１１】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、インジェクタからの燃料噴霧の一部がタンブル流の流れ方向の下流側に位置する点火プラグの方向に向かい、且つ、点火プラグに最も近づく燃料噴霧の外郭面よりも上方となる範囲に点火プラグの電極部が配置される機関構成によって排気浄化触媒の活性化制御を行う場合に、当該外郭面と当該電極部との距離が拡大したときの対策を講ずることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、燃焼室上部に設けられて筒内に燃料を直接噴射するインジェクタと、電極部で発生させた放電火花を用いて筒内の混合気に点火する点火プラグであって、前記燃焼室上部、且つ、前記燃焼室内に形成されるタンブル流の流れ方向において前記インジェクタよりも下流側に設けられると共に、前記インジェクタから前記点火プラグに向けて噴射される燃料噴霧の外郭面よりも前記電極部の位置が上方となるように設けられた点火プラグと、前記燃焼室からの排気を浄化する排気浄化触媒と、を備える内燃機関を制御するものである。
前記制御装置は、前記排気浄化触媒を活性化させる制御として、圧縮上死点よりも遅角側の所定期間で放電火花が発生するように前記点火プラグを制御すると共に、前記圧縮上死点よりも遅角側での膨張行程噴射であって、噴射期間が前記所定期間の少なくとも一部と重複し、尚且つ、終了時期が前記所定期間の終了時期よりも進角側となる膨張行程噴射と、前記膨張行程噴射が行われるサイクルと同じサイクルでの吸気行程噴射と、を行うように前記インジェクタを制御する。
前記制御装置は更に、前記吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気と放電火花とから生じた初期火炎の成長速度が所定の判定値を下回ると判定された場合、前記吸気行程噴射と前記膨張行程噴射が行われるサイクルと同じサイクルでの追加噴射であって、前記圧縮上死点よりも遅角側、且つ、前記膨張行程噴射の噴射開始時期および前記所定期間の開始時期よりも進角側での追加噴射を行うように前記インジェクタを制御すると共に、前記追加噴射の噴射開始時期よりも進角側から開始され、且つ、前記膨張行程噴射の噴射開始時期よりも遅角側において満了する放電期間において放電火花が発生するように前記点火プラグを制御する。
【００１３】
追加噴射による燃料噴霧はタンブル流によって下流方向に運ばれるので、膨張行程噴射が行われる際には電極部の近傍まで移動することになる。この燃料噴霧の移動中には、点火プラグの制御によって放電火花が発生しており、この放電火花と吸気行程噴射による燃料噴霧とが接触することで火炎核が生じている。そのため、タンブル流によって燃料噴霧が電極部の近傍まで移動したときには、この火炎核から生じた初期火炎と接触することになる。つまり、追加噴射を行うようにインジェクタを制御すると共に、この追加噴射の噴射開始時期よりも進角側から開始される放電を行うように点火プラグを制御すると、膨張行程噴射による燃料噴霧を巻き込む前に、初期火炎が追加噴射による燃料噴霧を巻き込んで成長することになる。従って、このようなインジェクタと点火プラグの制御を行わない場合に比べて、初期火炎が膨張行程噴射による燃料噴霧を巻き込むまでの時間が短縮されることになる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気と放電火花とから生じた初期火炎の成長速度が所定の判定値を下回ると判定された場合に、膨張行程噴射による燃料噴霧を巻き込む前に、当該初期火炎を追加噴射による燃料噴霧と接触させて、これを巻き込んで成長させることができる。つまり、膨張行程噴射による燃料噴霧のうち点火プラグに最も近づく燃料噴霧の外郭面と、当該点火プラグの電極部との間の距離が拡大した場合に、初期火炎が膨張行程噴射による燃料噴霧を巻き込むまでの時間を適度な範囲に収めることが可能となる。よって、サイクル間の燃焼変動を小さくしてドライバビリティに影響が出るのを良好に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明する図である。
【図２】内燃機関１０の始動直後の燃料噴射パターンの一例を示す図である。
【図３】触媒暖機制御中の噴射開始時期、噴射期間、および、電極部３４での放電期間を示す図である。
【図４】燃焼変動率と、膨張行程噴射での燃料噴射量との関係を示す図である。
【図５】膨張行程噴射による放電火花の誘引作用を説明するための図である。
【図６】触媒暖機制御の問題点を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態の触媒暖機制御の概要を説明する図である。
【図８】膨張行程での２回噴射と２回放電を行う場合の筒内状態を説明する図である。
【図９】インジェクタの開弁期間τと噴射燃料量との関係の一例を示す図である。
【図１０】粒子数ＰＮおよび燃焼変動率と、燃料噴射量との関係の一例を示す図である。
【図１１】内燃機関１０の冷間始動中のエンジン冷却水温と、膨張行程１回目噴射での噴射期間との関係の一例を示す図である。
【図１２】着火確率およびＳＡ−ＣＡ１０と、膨張行程１回目放電での放電期間との関係の一例を示す図である。
【図１３】燃焼変動率とＳＡ−ＣＡ１０との関係を示す図である。
【図１４】距離ＤＴに関する判定値を説明する図である。
【図１５】本発明の実施の形態においてＥＣＵ４０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明する図である。図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、車両に搭載される内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は４ストローク１サイクルエンジンであり、複数の気筒を有している。但し、図１には、そのうちの１つの気筒１２のみが描かれている。内燃機関１０は、気筒１２が形成されたシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４上に配置されるシリンダヘッド１６と、を有している。気筒１２内にはその軸方向（本実施の形態では鉛直方向）に往復動するピストン１８が配置されている。内燃機関１０の燃焼室２０は、少なくともシリンダブロック１４の壁面と、シリンダヘッド１６の下面と、ピストン１８の上面と、によって画定されている。
【００１８】
シリンダヘッド１６には、燃焼室２０に連通する吸気ポート２２および排気ポート２４が２つずつ形成されている。吸気ポート２２の燃焼室２０に連通する開口部には吸気バルブ２６が設けられ、排気ポート２４の燃焼室２０に連通する開口部には排気バルブ２８が設けられている。また、シリンダヘッド１６には、燃焼室２０の上部の略中央から先端が燃焼室２０を臨むようにインジェクタ３０が設けられている。インジェクタ３０は燃料タンク、コモンレール、サプライポンプ等から構成される燃料供給系に接続されている。また、インジェクタ３０の先端には複数の噴孔が放射状に形成されており、インジェクタ３０を開弁するとこれらの噴孔から燃料が高圧状態で噴射される。
【００１９】
また、シリンダヘッド１６には、インジェクタ３０が設けられた箇所よりも排気バルブ２８の側の燃焼室２０の上部に点火プラグ３２が設けられている。点火プラグ３２は、中心電極と接地電極とからなる電極部３４を先端に備えている。電極部３４は、インジェクタ３０からの燃料噴霧の外郭面（以下「噴霧外郭面」ともいう。）よりも上方になる範囲（すなわち、噴霧外郭面からシリンダヘッド１６の下面までの範囲）に突き出すように配置されている。より詳しく述べると、電極部３４は、インジェクタ３０の噴孔から放射状に噴射された燃料噴霧のうち、点火プラグ３２に最も近づく燃料噴霧の外郭面よりも上方となる範囲に突き出すように配置されている。なお、図１に描かれる外郭線は、インジェクタ３０からの燃料噴霧のうちの点火プラグ３２に最も近づく燃料噴霧の外郭面を表している。
【００２０】
吸気ポート２２は、吸気通路側の入口から燃焼室２０に向けてほぼ真っ直ぐに延び、燃焼室２０との接続部分であるスロート３６において流路断面積が絞られている。吸気ポート２２のこのような形状は、吸気ポート２２から燃焼室２０に供給された吸気にタンブル流を生じさせる。タンブル流は燃焼室２０内で旋回する。より詳しく述べると、タンブル流は、燃焼室２０の上部では吸気ポート２２側から排気ポート２４側に向かい、排気ポート２４側では燃焼室２０の上部から下部に向かう。また、タンブル流は、燃焼室２０の下部では排気ポート２４側から吸気ポート２２側に向かい、吸気ポート２２側では燃焼室２０の下部から上方に向かう。燃焼室２０の下部を形成するピストン１８の上面には、タンブル流を保持するための凹みが形成されている。
【００２１】
また、図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、制御手段としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えている。ＥＣＵ４０は、車両に搭載された各種センサの信号を取り込み処理する。各種センサには、燃焼室２０の上部に設けられた筒内圧センサ４２と、ピストン１８に接続されたクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ４４と、内燃機関１０の冷却水温を検出する温度センサ４６とが少なくとも含まれている。ＥＣＵ４０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従って各種アクチュエータを操作する。ＥＣＵ４０によって操作されるアクチュエータには、上述したインジェクタ３０と点火プラグ３２とが少なくとも含まれている。
【００２２】
［ＥＣＵ４０による始動時制御］
本実施の形態では、図１に示したＥＣＵ４０による内燃機関１０の冷間始動直後の制御として、排気浄化触媒の活性化を促進する制御（以下「触媒暖機制御」ともいう。）が行われる。排気浄化触媒は、内燃機関１０の排気通路に設けられる触媒であり、一例として、活性化状態にある触媒の雰囲気がストイキ近傍にあるときに排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を浄化する三元触媒が挙げられる。
【００２３】
触媒暖機制御について、図２乃至図４を参照して説明する。図２には、内燃機関１０の冷間始動直後の燃料噴射パターンの一例が示されている。図２に示すように、始動直後は先ず、吸気行程での２回噴射（以下「吸気行程噴射」ともいう。）と、圧縮行程での１回噴射（以下「圧縮行程噴射」ともいう。）と、を組み合わせた燃料噴射パターンが採用される。その後、エンジン回転速度の上昇に合わせ、触媒暖機制御を開始すべく、圧縮行程噴射が膨張行程での１回噴射（以下「膨張行程噴射」ともいう。）に切り替えられる。つまり触媒暖機制御では、吸気行程噴射と膨張行程噴射とを組み合わせた燃料噴射パターンが採用される。
【００２４】
図３には、触媒暖機制御中の噴射開始時期、噴射期間、および、電極部３４での放電期間が示されている。図３に示すように、吸気行程噴射の１回目はクランク角Ａ１（一例としてＢＴＤＣ３００°近傍）において開始され、２回目はクランク角Ａ２（一例としてＢＴＤＣ２６０°近傍）において開始される。吸気行程噴射の２回目は、燃焼室２０内の混合気の均質性を高める目的で行われるものである。但し、クランク角Ａ２で燃料を一度に噴射してしまうと、燃焼室２０の壁面に付着する燃料量が多くなり、エミッション規制の対象の１つである粒子数ＰＮ（Ｐarticulate Ｎumber）が増えてしまう。このような事態を避けるために、本実施の形態では吸気行程噴射の２回目の一部を１回目に分担させている。因みに本実施の形態では、吸気行程噴射の２回目の噴射量の半分を１回目の噴射量に分担させているので、図３に示す１回目の噴射期間Ｑ１と２回目の噴射期間Ｑ２が等しくなっている。なお、吸気行程噴射の２回目の噴射量と１回目の噴射量を変えてもよいし、吸気行程での噴射総数を３回以上としてもよい。
【００２５】
また、図３に示すように、触媒暖機制御中は、電極部３４での放電期間Ｔ１（所定期間）が圧縮上死点よりも遅角側に設定されている。圧縮上死点よりも遅角側に放電期間Ｔ１を設定しているのは排気温度を上昇させるためであり、この放電期間中に膨張行程噴射が行われる。より詳細に述べると、電極部３４での放電の開始時期ＳＡ１（一例としてＡＴＤＣ２５〜３５°近傍）よりも遅角側のクランク角ａ１において膨張行程噴射が開始され、電極部３４での放電の終了時期よりも進角側で噴射期間ｑ１が満了する。
【００２６】
因みに図３では、開始時期ＳＡ１からクランク角ａ１までの間にインターバルＩ１が存在するが、開始時期ＳＡ１とクランク角ａ１が一致していてもよい（つまり、インターバルＩ１が無くてもよい）。また、電極部３４での放電の終了時期（つまり、クランク角（ＳＡ１＋Ｔ１））と、噴射期間ｑ１の満了時期（つまり、クランク角（ａ１＋ｑ１））が一致していてもよい。噴射期間ｑ１が電極部３４での放電期間Ｔ１の少なくとも一部と重複し、尚且つ、噴射期間ｑ１の満了時期が電極部３４での放電の終了時期よりも進角側であれば、クランク角ａ１が電極部３４での放電の開始時期ＳＡ１よりも進角側であってもよい。このような膨張行程噴射を行うのは、誘引作用によって膨張行程噴射による燃料を確実に燃焼させるためである。なお、この誘引作用の詳細については後述する。
【００２７】
図３に示した噴射期間ｑ１は、触媒暖機制御中と同等の運転条件において得られる燃焼変動率と、膨張行程噴射での燃料噴射量との関係に基づいて設定されている。図４にはこの関係の一例が示されている。図４に示すように、触媒暖機制御中と同等の運転条件において得られる燃焼変動率は、特定の燃料噴射量の範囲において下に凸となる。噴射期間ｑ１は、この燃焼変動率が最も小さくなるときの燃料噴射量（一例として５ｍｍ３／ｓｔ程度）に相当する噴射期間として設定されている。
【００２８】
［誘引作用を活用した触媒暖機制御とその問題点］
図５は、膨張行程噴射による誘引作用を説明するための図である。図５の上段および中段には、電極部３４での放電期間中の筒内状態が描かれている。図５の上段が膨張行程噴射を行わない場合に相当し、図５の中段および下段が膨張行程噴射を行った場合に相当している。なお、説明の便宜上、図５には膨張行程噴射による燃料噴霧のうち、点火プラグ３２に最も近づく燃料噴霧のみを示す。膨張行程噴射を行わない場合は、電極部３４で生じている放電火花や、吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気と放電火花とから生じた初期火炎が、タンブル流の流れ方向に延びる（図５上段）。一方、膨張行程噴射を行う場合は、燃料噴霧の周囲に低圧部が形成されるので（エントレインメント）、電極部３４で生じている放電火花や、吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気と放電火花とから生じた初期火炎が、タンブル流の流れ方向とは逆の方向に誘引される（図５中段）。そうすると、この初期火炎が、膨張行程噴射による燃料噴霧を巻き込んで成長する（図５下段）。
【００２９】
膨張行程での噴射による燃料噴霧は、タンブル流や筒内圧力の影響を受ける。そのため、圧縮上死点よりも遅角側であっても、電極部３４での放電の開始時期よりも進角側で噴射期間が満了するような噴射を行った場合は、この噴射による燃料噴霧が電極部３４に辿り着く前にその形状が変化してしまい、燃焼変動が大きくなり易い。この点、図３で説明した噴射期間条件において膨張行程噴射を行えば、図５の中段に示した誘引作用を活用することができる。そのため、膨張行程噴射による燃料噴霧の形状が変化したとしても、初期火炎を成長させる燃焼（以下「初期燃焼」ともいう。）を安定化させることができるので、燃焼変動を抑えることができる。更には、初期燃焼に続く燃焼、すなわち、成長した初期火炎が吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気を更に巻き込む燃焼（以下「主燃焼」ともいう。）をも安定化させることができる。
【００３０】
しかしこの誘引作用は、噴霧外郭面と電極部３４との間の距離（以下「距離ＤＴ」ともいう。）が重要である。そのため、経年劣化等の理由で距離ＤＴが拡大したような場合には、誘引作用が不十分となる可能性がある。図６は、触媒暖機制御の問題点を説明する図である。図６の上段に示すように、膨張行程噴射による燃料噴霧の中心軸が燃焼室２０の下部方向（つまり、ピストン１８の上面方向）に移動した場合には、噴霧外郭面と電極部３４との間の距離が拡大して誘引作用が不十分となる。そうすると、図６の下段に示すように、膨張行程噴射による燃料噴霧を巻き込んだ初期火炎の成長が抑制され、当該初期火炎の成長速度、すなわち、初期燃焼の速度が低下してしまう。そして、触媒暖機制御中の燃焼サイクルにおいて、このような事態が発生するサイクルが多くなれば、サイクル間の燃焼変動が大きくなるので、ドライバビリティに影響が出てしまう。
【００３１】
［実施の形態の触媒暖機制御の特徴］
そこで、本実施の形態では、触媒暖機制御中に距離ＤＴに関する判定を行う。そして、距離ＤＴが拡大したと判定された場合には、吸気行程での２回噴射と、膨張行程での２回噴射と、膨張行程での２回放電と、を行う。吸気行程での２回噴射は、先に説明した吸気行程噴射と基本的に同じである。膨張行程での２回噴射は、先に説明した膨張行程噴射と、膨張行程噴射に先駆ける形で行われる追加噴射と、から構成される。追加噴射は、圧縮上死点よりも遅角側、且つ、電極部３４での２回目の放電の開始時期よりも進角側（膨張行程噴射が２回目の放電の開始時期よりも進角側で開始される場合は、圧縮上死点よりも遅角側、且つ、膨張行程噴射の噴射開始時期よりも進角側）で行われる。膨張行程での２回放電は、先に説明した膨張行程噴射に対応する放電と、追加噴射に対応する放電と、から構成される。
【００３２】
なお、説明の便宜上、以下の説明においては、追加噴射を「膨張行程１回目噴射」ともいい、膨張行程噴射を「膨張行程２回目噴射」ともいう。また、追加噴射に対応する放電を「膨張行程１回目放電」ともいい、膨張行程噴射に対応する放電を「膨張行程２回目放電」ともいう。
【００３３】
図７は、本発明の実施の形態の触媒暖機制御の概要を説明する図である。図３同様、図７には、触媒暖機制御中の噴射開始時期、噴射期間、および、電極部３４での放電期間が示されている。図７の上段は、距離ＤＴが拡大していない場合、または、距離ＤＴが拡大しているものの、その判定がなされていない場合の制御に相当している。このような場合、図３で説明した制御（燃料噴射制御および放電制御）と同一の制御が行われる。
【００３４】
図７の下段は、距離ＤＴが拡大したと判定された場合の制御に相当している。この場合は、放電制御（放電の開始時期および期間）の内容が部分的に変更される。すなわち、膨張行程１回目の放電が開始時期ＳＡ１’において開始され、放電期間Ｔ１’に亘って行われる。また、膨張行程２回目放電が、開始時期ＳＡ２’において開始され、放電期間Ｔ２’（＜放電期間Ｔ１’）に亘って行われる。ここで、開始時期ＳＡ２’は開始時期ＳＡ１と一致しており、膨張行程１回目放電の放電期間と膨張行程２回目放電の放電期間を足し合わせた期間（＝Ｔ１’＋Ｔ２’）は、噴射期間Ｔ１と等しい期間に設定されている。また、放電期間Ｔ１’の満了時期と開始時期ＳＡ２’との間のインターバル（一例として１５°）は、点火コイルのチャージに要する期間（一例として１５°）に相当するものである。但し、点火コイルにチャージされる電力を膨張行程１回目放電だけで使い切ってしまわないように膨張行程２回目放電に配分すれば、当該期間を圧縮することもできる。
【００３５】
また、距離ＤＴが拡大したと判定された場合は、燃料噴射制御（燃料噴射の開始時期および期間）の内容も部分的に変更される。すなわち、膨張行程１回目噴射がクランク角ａ１’において開始され、噴射期間ｑ１’に亘って行われる。また、膨張行程２回目噴射がクランク角ａ２’において開始され、噴射期間ｑ２’に亘って行われる。ここで、クランク角ａ２’はクランク角ａ１と一致しており、噴射期間ｑ２’は噴射期間ｑ１と等しい期間に設定されている。噴射期間ｑ１’の詳細については後述する。
【００３６】
なお、膨張行程１回目放電の開始から膨張行程１回目噴射の開始までの間のインターバルＩ１’、および、膨張行程２回目放電の開始から膨張行程２回目噴射の開始までの間のインターバルＩ２’は、インターバルＩ１と等しい期間に設定されている。ここで、開始時期ＳＡ１’とクランク角ａ１’が一致していてもよいし、開始時期ＳＡ２’とクランク角ａ２’が一致していてもよい（つまり、インターバルＩ１’，Ｉ２’が無くてもよい）。一方、膨張行程１回目放電の終了時期（つまり、クランク角（ＳＡ１’＋Ｔ１’）は、膨張行程１回目噴射の噴射期間ｑ１’の満了時期（つまり、クランク角（ａ１’＋ｑ１’））よりも必ず遅角側とされる。この理由は、膨張行程１回目放電によって生じさせた初期火炎を、膨張行程１回目噴射による燃料噴霧に確実に接触させるためである。故に、図７では、放電期間Ｔ１’が放電期間Ｔ２’よりも長い期間に設定されており、放電期間Ｔ２’が短くなった結果、膨張行程２回目放電の終了時期（つまり、クランク角（ＳＡ２’＋Ｔ２’）が、膨張行程２回目噴射の噴射期間ｑ２’の満了時期（つまり、クランク角（ａ２’＋ｑ２’））よりも進角側に位置している。
【００３７】
また、図７の下段では、クランク角Ａ１’において吸気行程噴射の１回目が開始され、クランク角Ａ２’において吸気行程噴射の２回目が開始される。ここで、クランク角Ａ１’，Ａ２’は、クランク角Ａ１，Ａ２と一致している。また、吸気行程噴射の１回目の噴射期間Ｑ１’と２回目の噴射期間Ｑ２’は等しい期間に設定されている。但し、噴射期間Ｑ１’，Ｑ２’は、噴射期間Ｑ１（＝Ｑ２）よりも短い期間に設定される。この理由は、図７の上段と下段において１燃焼サイクルでの総噴射量を等しくするためである。故に、噴射期間Ｑ１’，Ｑ２’は噴射期間ｑ１’の半分だけ噴射期間Ｑ１（または噴射期間Ｑ２）よりも短い（Ｑ１’＝Ｑ１−ｑ１’／２）。なお、１燃焼サイクルでの総噴射量は、筒内空燃比がストイキに等しくなるようにＥＣＵ４０において別途算出されている。
【００３８】
図８は、膨張行程での２回噴射と２回放電を行う場合の筒内状態を説明する図である。図８に描かれる４つの筒内状態は、図７の下段に示した膨張行程中のクランク角期間における筒内状態を表している。図８の上から１段目〜３段目に描かれる「燃料噴霧(i)」は、膨張行程１回目噴射による燃料噴霧のうちの、点火プラグ３２に最も近づく燃料噴霧に相当している。図８の上から４段目に描かれる「燃料噴霧(ii)」は、膨張行程２回目噴射による燃料噴霧のうちの、点火プラグ３２に最も近づく燃料噴霧に相当している。
【００３９】
図８の上から１段目および２段目に示すように、クランク角ａ１’からクランク角（ａ１’＋ｑ１’）までの間（つまり、膨張行程１回目噴射の間）に噴射された燃料噴霧(i)は、燃焼室２０に形成されているタンブル流の流れ方向の下流側に運ばれる。また、この２段目に示すように、燃料噴霧(i)がタンブル流の流れ方向の下流側に運ばれている間、電極部３４では放電火花と火炎核が生じている。この理由は、クランク角（ａ１’＋ｑ１’）からクランク角（ＳＡ１’＋Ｔ１’）までの間（つまり、膨張行程１回目噴射の終了から膨張行程１回目放電の終了までの間）には膨張行程１回目放電が行われており、この膨張行程１回目放電によって電極部３４に生じた放電火花と、吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気とから火炎核が生じているためである。この火炎核は、その周囲の混合気を更に取り込んで初期火炎となる。
【００４０】
タンブル流の流れ方向の下流側に更に運ばれた燃料噴霧(i)が電極部３４の近傍に到達することで、火炎核から生じた初期火炎と接触することになる。図８の上から３段目に示すように、クランク角ＳＡ２’からクランク角ａ２’までの間（つまり、膨張行程２回目放電の開始から膨張行程２回目噴射の開始までの間）に初期火炎が燃料噴霧(i)と接触すると、この初期火炎が燃料噴霧(i)を巻き込んで成長する。なお、この３段目に示す火炎核は、膨張行程２回目放電に由来するものであり、初期火炎が燃料噴霧(i)を巻き込んで成長するのを補助する役割を果たす。そうすると、図８の上から４段目に示すように、クランク角ａ２’からクランク角（ＳＡ２’＋Ｔ２’）までの間（つまり、膨張行程２回目噴射の開始から膨張行程２回目放電の終了までの間）に噴射された燃料噴霧(ii)に、成長した初期火炎が接触できることになる。
【００４１】
このように、膨張行程１回目噴射と膨張行程１回目放電を行えば、膨張行程１回目放電による放電火花と吸気行程噴射による燃料噴霧を含む混合気とから生じた初期火炎を、燃料噴霧(i)に接触させて成長させることができる。よって、初期火炎が燃料噴霧(ii)を巻き込むまでの時間を短縮して適度な範囲に収めることができる。すなわち、初期燃焼の速度低下を抑制して、距離ＤＴが拡大していないと判定された場合と同等の初期燃焼速度を実現できる。
【００４２】
［膨張行程１回目噴射の詳細］
図７に示した噴射期間ｑ１’の詳細について、図９乃至図１１を参照して説明する。図９は、インジェクタの開弁期間τと噴射燃料量との関係の一例を示す図である。図８で説明した燃料噴霧(i)の移動を実現するために、本実施の形態では膨張行程１回目噴射の噴射期間ｑ１’を、膨張行程２回目噴射の噴射期間ｑ２’よりも短く設定する。但し、図９に示すように、開弁期間τが極めて短い領域では開弁期間τと噴射燃料量が線形関係を示さない。この非線形性は、インジェクタの構造に因るものである。故に、噴射期間ｑ１’の設定に際しては、図９に示す上限と下限で囲まれるパーシャルリフト安定域（一例として１〜５ｍｍ３／ｓｔ（３０ＭＰａ））の燃料噴射量を採用している。
【００４３】
図１０は、粒子数ＰＮおよび燃焼変動率と、膨張行程１回目噴射での燃料噴射量との関係の一例を示す図である。図１０の横軸は図９の縦軸に対応している。図１０の上段に示すように、粒子数ＰＮは、燃料噴射量が多くなるほど増加する。また、燃焼状態が正常な場合（正常時）と燃焼状態が悪化した場合（燃焼悪化時）とを比較すると、正常な場合よりも悪化した場合に粒子数ＰＮがより多くなる。一方、図１０の上段に示すように、燃焼変動率は、上限と下限で囲まれる噴射量範囲において下に凸となる。また、燃焼状態が正常な場合（正常時）と燃焼状態が悪化した場合（燃焼悪化時）とを比較すると、正常な場合よりも悪化した場合に燃焼変動率がより高くなる。本実施の形態では、粒子数ＰＮの方が燃焼変動率よりも優先順位が高いとして、噴射期間ｑ１’の設定に際してパーシャルリフト安定域の下限に相当する燃料噴射量を採用している（図１０上段参照）。なお、粒子数ＰＮではなく燃焼変動率を優先してもよいし、粒子数ＰＮと燃焼変動率のバランスを優先してもよい。
【００４４】
図１１は、内燃機関１０の冷間始動中のエンジン冷却水温と、膨張行程１回目噴射での噴射期間との関係の一例を示す図である。図１１の下段に示すように、膨張行程１回目噴射の噴射期間ｑ１’は、冷間始動中のエンジン冷却水温に関係なく一定に設定される。なお、図１１の上段および下段に示すように、膨張行程２回目噴射の噴射期間ｑ２’や、膨張行程噴射の噴射期間ｑ１も、冷間始動中のエンジン冷却水温に関係なく一定に設定される。なお、噴射期間ｑ２’が噴射期間ｑ１と等しい期間に設定されていることは既に説明した通りである。
【００４５】
［膨張行程１回目放電の詳細］
図１２は、着火確率およびＳＡ−ＣＡ１０と、膨張行程１回目放電での放電期間との関係の一例を示す図である。この図１２で言うところの着火確率とは、電極部３４に生じた放電火花から、膨張行程２回目噴射での燃料噴霧を成長させるのに十分な初期火炎が生じている度合いを意味しており、ＳＡ−ＣＡ１０によって評価したものである。因みにこのＳＡ−ＣＡ１０は、点火時期（つまり、電極部３４での放電開始時期）から、燃焼質量割合（ＭＦＢ）が１０％に到達するまでのクランク角期間として定義されるものである。なお、ＭＦＢは、筒内圧センサ４２とクランク角センサ４４を利用して得られる筒内圧データの解析結果に基づいて算出され、算出したＭＦＢに基づいてＳＡ−ＣＡ１０が算出される。なお、筒内圧データの解析結果からＭＦＢを算出する手法や、ＳＡ−ＣＡ１０を算出する手法については、例えば特開２０１５−０９４３３９号公報や特開２０１５−０９８７９９号公報に詳述されていることから、本明細書での説明は省略する。
【００４６】
上述したＳＡ−ＣＡ１０の定義から分かるように、ＳＡ−ＣＡ１０の値が小さいということは、ＭＦＢが０％から１０％となるまでの期間が長いということを意味し、つまりは、電極部３４に生じた放電火花から、膨張行程２回目噴射での燃料噴霧を成長させるのに十分な初期火炎が生じていないことを意味している。反対に、ＳＡ−ＣＡ１０の値が大きいということは、ＭＦＢが０％から１０％となるまでの期間が短いということを意味し、電極部３４に生じた放電火花から、膨張行程２回目噴射での燃料噴霧を成長させるのに十分な初期火炎が生じていることを意味している。そして、図１２から分かるように、膨張行程１回目放電での放電期間が長くなる程、ＳＡ−ＣＡ１０の値が小さくなり、着火確率が高くなる。このような観点に基づき、膨張行程１回目放電での放電期間Ｔ１’は極力長い期間に設定される。故に、膨張行程１回目放電での放電期間Ｔ１’は、膨張行程２回目放電での放電期間Ｔ２’よりも期間に設定される。
【００４７】
［距離ＤＴに関する判定］
膨張行程１回目噴射および膨張行程１回目放電を行うか否かは、距離ＤＴに関する判定に基づいて判断される。本実施の形態では、ＳＡ−ＣＡ１０を活用してこの判定を行う。図１３は、燃焼変動率とＳＡ−ＣＡ１０との関係を示す図である。図１３に示すように、ＳＡ−ＣＡ１０が長くなるほど、燃焼変動率が大きくなる。ここで、燃焼変動率が大きくなる原因の１つとして、距離ＤＴが拡大して初期燃焼の速度が低下することは既に述べたとおりである（図６下段の説明参照）。故に、これに基づけば、算出されたＳＡ−ＣＡ１０が距離ＤＴの拡大前のＳＡ−ＣＡ１０、すなわち、正常時のＳＡ−ＣＡ１０よりも長くなった場合は、その原因の１つが距離ＤＴの拡大に伴う初期燃焼の速度の低下にあると推測できることになる。
【００４８】
図１４は、距離ＤＴに関する判定値を説明する図である。図１４に示すように、本実施の形態では、実際に算出されたＳＡ−ＣＡ１０（以下「実ＳＡ−ＣＡ１０」ともいう。）が、正常時のＳＡ−ＣＡ１０よりも所定クランク角期間（一例として５°）以上長くなった場合に、距離ＤＴが拡大していると判定する。なお、正常時のＳＡ−ＣＡ１０よりも所定クランク角期間だけ長いＳＡ−ＣＡ１０については、「正常時のＳＡ−ＣＡ１０」を事前の適合により求めた上で、設定されているものとする。
【００４９】
［実施の形態での具体的処理］
図１５は、本発明の実施の形態においてＥＣＵ４０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。なお、この図に示すルーチンは、触媒暖機制御を実行する運転モード（以下「触媒暖機モード」ともいう。）が選択されている間、繰り返し実行されるものとする。
【００５０】
図１５に示すルーチンでは、先ず、膨張行程で１回噴射する燃料噴射制御と、同膨張行程で１回放電する放電制御と、が実行される（ステップＳ１００）。本ステップＳ１００では具体的に、吸気行程噴射の噴射量（噴射期間Ｑ１，Ｑ２）と、噴射開始時期（クランク角Ａ１，Ａ２）と、が設定される。また、膨張行程噴射の噴射量（噴射期間ｑ１）と、噴射開始期間（クランク角ａ１）と、が設定される。また、膨張行程での放電の開始時期ＳＡ１と、放電期間Ｔ１とが設定される。なお、設定後の膨張行程での放電の開始時期と、設定後の膨張行程噴射での噴射開始時期との差分期間は、図３で説明したインターバルＩ１となる。
【００５１】
ステップＳ１００に続いて、実ＳＡ−ＣＡ１０が正常時のＳＡ−ＣＡ１０よりも所定クランク角期間以上長いか否かが判定される（ステップＳ１０２）。本ステップＳ１０２では、ＥＣＵ４０において別途算出された実ＳＡ−ＣＡ１０が取得され、正常時のＳＡ−ＣＡ１０（設定値）と比較される。比較の結果、実ＳＡ−ＣＡ１０が正常時のＳＡ−ＣＡ１０よりも所定クランク角期間以上長いと判定された場合（“Ｙｅｓ”の場合）は、ステップＳ１０４に進む。一方、そうでないと判定された場合（“Ｎｏ”の場合）は、本ルーチンを抜ける。
【００５２】
ステップＳ１０４では、膨張行程で２回噴射する燃料噴射制御が実行される。本ステップＳ１０４では具体的に、吸気行程噴射の噴射量（噴射期間Ｑ１’，Ｑ２’）と、噴射時期（クランク角Ａ１’，Ａ２’）と、が設定される。また、膨張行程１回目噴射の噴射量（噴射期間ｑ１’）と、噴射時期（クランク角ａ１’）と、が設定される。また、膨張行程２回目噴射の噴射量（噴射期間ｑ２’）と、噴射時期（クランク角ａ２’）とが設定される。また、膨張行程１回目放電の放電期間Ｔ１’と、放電の開始時期ＳＡ１’とが設定される。また、膨張行程２回目放電の放電期間Ｔ２’と、放電の開始時期ＳＡ２’とが設定される。なお、設定後の膨張行程１回目放電の開始時期と、設定後の膨張行程１回目噴射での噴射開始時期との差分期間は、図７で説明したインターバルＩ１’となり、設定後の膨張行程２回目放電の開始時期と、膨張行程２回目噴射での噴射開始時期との差分期間は、図７で説明したインターバルＩ２’となる。
【００５３】
以上説明した本実施の形態によれば、次のような効果を得ることができる。すなわち、距離ＤＴが拡大していないと判定された場合には、図３で説明した膨張行程噴射によって初期燃焼を安定化させて、燃焼変動を抑えることができる。また、距離ＤＴが拡大したと判定された場合であっても、図７の下段で説明した膨張行程１回目噴射と膨張行程１回目放電によって初期燃焼を安定化させて、距離ＤＴが拡大していないと判定された場合と同様に燃焼変動を抑えることができる。
【００５４】
［実施の形態の変形例］
ところで、上記実施の形態では、燃焼室２０に形成されるタンブル流が、排気ポート２４側では燃焼室２０の上部から下部に向かい、且つ、吸気ポート２２側では燃焼室２０の下部から上方に向かうように旋回するとした。しかし、このタンブル流が逆方向、つまり、吸気ポート２２側では燃焼室２０の上部から下方に向かい、且つ、排気ポート２４側では燃焼室２０の下部から上部に向かうように旋回するものであってもよい。但しこの場合は、点火プラグ３２の配置箇所を、排気バルブ２８側から吸気バルブ２６側に変更する必要がある。点火プラグ３２の配置箇所をこのように変更すれば、タンブル流の流れ方向において、インジェクタ３０の下流側に点火プラグ３２が位置することになる。そのため、図８で説明した膨張行程１回目噴射による燃料噴霧（つまり、燃料噴霧(i)）の電極部３４方向への移動を実現できる。
【００５５】
また、上記実施の形態では、ＳＡ−ＣＡ１０を利用して距離ＤＴの拡大に関する判定を行った。しかし、ＳＡ−ＣＡ１０の代わりに、初期燃焼の速度と相関を有する公知のパラメータを用いて、距離ＤＴの拡大に関する判定を行ってもよい。つまり、初期燃焼の速度をその判定値と比較することのできる公知のパラメータであれば、ＳＡ−ＣＡ１０の代わりに用いることができる。
【００５６】
また、上記実施の形態では、距離ＤＴが拡大したと判定された場合に、膨張行程での２回放電として、膨張行程１回目噴射に対応する膨張行程１回目放電と、膨張行程２回目噴射に対応する膨張行程２回目放電と、を行った。しかし、膨張行程での放電は２回でなくてもよく、膨張行程１回目噴射と膨張行程２回目噴射の両方に対応する１回の放電を、膨張行程において行うことにしてもよい。何故なら、図８で説明した筒内状態は、膨張行程１回目放電と膨張行程２回目放電を連続的に行った場合においても実現できるからである。膨張行程での１回放電とする場合は、例えば、図７で説明したクランク角ＳＡ１’において開始し、クランク角（ＳＡ２’＋Ｔ２’）において終了する放電とすればよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０  内燃機関
１２  気筒
１４  シリンダブロック
１６  シリンダヘッド
１８  ピストン
２０  燃焼室
２２  吸気ポート
２４  排気ポート
３０  インジェクタ
３２  点火プラグ
３４  電極部
３６  スロート
４０  ＥＣＵ
４２  筒内圧センサ
４４  クランク角センサ
４６  温度センサ
【図１】
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【図２】
2018003751.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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