(57)【要約】【課題】  内燃機関のトルク変動率の増大とＮＯｘ排出量の増加を抑制すると共に、点火放電の消費エネルギを低減することの可能な制御装置を提供する。【解決手段】  エンジンシステム１０を構成する燃料噴射弁１６はエンジンの燃焼室１７に燃料を噴射する。エネルギ投入部５０は、燃焼室１７で火花放電する点火プラグ７の放電維持期間を調節可能である。このエンジンシステム１０を制御する制御装置３２は、クランク角センサ１２等の信号からエンジンのトルク変動率を検出し、ＮＯｘセンサ３８の信号からＮＯｘ濃度を検出する。制御装置３２は、そのトルク変動率が所定値Ｙ以下、且つ、ＮＯｘ濃度が所定値Ｘ以下のとき、点火プラグ７の放電時期と燃料噴射弁１６の噴射時期とを近づけると共に、点火プラグ７の放電の維持期間を短くする。これにより、エネルギ投入部５０の消費エネルギを低減することが可能である。【選択図】図４
2015200262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンブル流が形成される内燃機関（１３）の燃焼室（１７）に燃料を噴射する燃料噴射弁（１６）と、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が電極を通過した後に火花放電する点火プラグ（７）と、
直流電源（６）から一次電流（Ｉ１）が供給される一次コイル（４１）、及び前記点火プラグの前記電極に接続されて前記一次電流の通電及び遮断によって生じる二次電流（Ｉ２）が流れる二次コイル（４２）を有する点火コイル（４０）と、
前記一次コイルの反直流電源側の配線に接続され、前記一次電流の通電と遮断を切り替え可能な点火スイッチ（４５）と、
前記点火プラグの放電の維持期間を調節可能なエネルギ投入手段（５０）と、
前記内燃機関のトルク変動率を検出するトルク検出手段（１２，３５）と、
前記内燃機関の前記燃焼室から排出された排ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段（３８）と、を備えたエンジンシステム（１０）を制御する制御装置（３２）であって、
前記トルク検出手段の検出値が所定の条件（Ｙ）を満たし、且つ、前記ＮＯｘ濃度検出手段の検出値が所定の条件（Ｘ）を満たすとき、前記点火プラグの放電時期と前記燃料噴射弁の噴射時期とを近づけると共に、前記エネルギ投入手段による前記点火プラグの放電の維持期間を短くすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記燃料噴射弁の噴射時期及び噴射量を制御する噴射制御手段（８１）と、
前記点火プラグの放電時期を設定する放電時期設定手段（８２）と、
前記エネルギ投入手段が点火プラグの放電を維持する期間を設定するエネルギ投入期間設定手段（８３）と、
前記トルク検出手段の検出値に基づく前記内燃機関のトルク変動率が所定の条件を満たすか否かを判定するトルク判定手段（８６）と、
前記ＮＯｘ濃度検出手段の検出値が所定の条件を満たすか否かを判定するＮＯｘ判定手段（８５）と、
前記トルク変動率が所定の条件を満たすことをトルク判定手段が判定し、且つ、前記ＮＯｘ濃度が所定の条件を満たすことをＮＯｘ判定手段が判定したとき、前記噴射制御手段により前記燃料噴射弁の噴射時期を遅角するか、又は、前記放電時期設定手段により前記点火プラグの放電時期を進角すると共に、前記エネルギ投入期間設定手段により放電を維持する期間を短くするエネルギ低減手段（８７）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制御装置。
【請求項３】
前記噴射制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて混合気を希薄空燃比で燃焼する際、前記内燃機関の吸気行程で一次噴射を行い、圧縮行程で二次噴射を行い、
前記エネルギ低減手段は、前記噴射制御手段による前記二次噴射の噴射時期を遅角することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記点火プラグの放電時期に対し前記燃料噴射弁の噴射時期を遅角していった場合に、前記ＮＯｘ濃度検出手段の検出値が増加傾向から減少傾向に変化する時期を最遅角限界として設定する最遅角限界設定手段（８４）を備え、
前記エネルギ低減手段は、前記最遅角限界よりも進角側で噴射時期の遅角制御を行うことを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記エネルギ低減手段は、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧（Ｆ）が、前記電極を通過した後、タンブル流（Ｔ）の渦中心（Ｃ）を含む気筒の軸に垂直な仮想平面（Ｓ）のピストン側をタンブル流と共に移動するときに前記点火プラグの放電時期が到来するように噴射時期を遅角することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記エネルギ投入手段は、前記点火スイッチにより前記一次電流を遮断し、前記二次電流による前記点火プラグの放電を発生した後にその放電が継続可能なエネルギを前記一次コイルの接地側から前記一次コイルに投入することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記燃料噴射弁は、前記燃焼室に形成されるタンブル流に沿うように、前記点火プラグの前記電極に向けて燃料を噴射することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記トルク検出手段の検出値が所定の条件を満たし、且つ、前記ＮＯｘ濃度検出手段の検出値が所定の条件を満たすとき、前記点火プラグの放電時期と前記燃料噴射弁の噴射時期とを近づけることに代えて、又はそれと共に前記燃料噴射弁の噴射量を増加し、前記エネルギ投入期間設定手段により放電を維持する期間を短くすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の運転状態に応じて混合気をリーン燃焼させる成層燃焼モードと、混合気をストイキ等で燃焼させる均質燃焼モードとを切り替える内燃機関の制御装置が知られている。
特許文献１に記載の内燃機関は、燃焼室から排出された排ガスを吸気通路に還流するＥＧＲ装置と、外気から吸気通路へ酸素を選択的に透過する酸素富化装置を備えている。この内燃機関の制御装置は、成層燃焼モードによる運転を行う際、ＥＧＲ装置と酸素富化装置に設けられた開閉弁をいずれも開き、ＥＧＲガスと酸素とを吸気通路から燃焼室に導入することで、燃焼室から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減している。
しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関は、ＮＯｘを低減するために酸素富化装置を備えているため、製造上のコストが高くなることが懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９１７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関が成層燃焼モードによる運転を行う際、点火プラグの放電の継続時間を長くすることで、空燃比がリーンの希薄混合気に対して着火性を向上する技術が知られている（例えば特開２０１２−１６７６６５号公報）。
しかしながら、内燃機関が成層燃焼モードによる運転を行う際、点火プラグの放電の継続時間を長くすると、放電に消費するエネルギが増大し、燃費が悪化することが懸念される。一方、点火プラグの放電の継続時間を短くすると、希薄混合気に対して着火性が悪化し、失火によりトルク変動率が増大する、又は燃焼悪化によりＮＯｘ排出量が増大するおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、内燃機関のトルク変動率の増大とＮＯｘ排出量の増加を抑制すると共に、点火放電の消費エネルギを低減することの可能な制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、点火プラグの放電の維持期間を調節可能な制御装置において、内燃機関のトルク変動率と排ガスのＮＯｘ濃度が所定の条件を満たすとき、点火プラグの放電時期と燃料噴射弁の噴射時期とを近づけると共に、放電の維持期間を短くすることを特徴とする。
【０００７】
内燃機関の燃焼室に形成されるタンブル流に沿って燃料噴射弁が燃料を噴射する場合、その燃料噴霧は電極を通過した後、タンブル流とともに燃焼室を旋回移動する。この場合、点火プラグの放電時期と燃料噴射弁の噴射時期とを近づけると、内燃機関のトルク変動率が所定の条件を満たさなくなる、又は排ガスのＮＯｘ濃度が所定の条件を満たさなくなるなどの問題が発生するおそれがある。そのため、これらをモニタしつつ、内燃機関に設定された所定の条件を満たす範囲内で点火プラグの放電時期と燃料噴射弁の噴射時期とを近づければ、その分、放電アークの伸長が短い状態で混合気に着火することが可能である。したがって、点火プラグの放電の維持期間を短縮することで、エネルギ投入手段が消費するエネルギが低減される。その結果、この制御装置は、内燃機関のトルク変動率の増大とＮＯｘ排出量の増加を抑制すると共に、点火放電の消費エネルギを低減することができる。また、この制御装置は、点火放電の消費エネルギの低減により、そのエネルギを生成するために消費される燃費を低減すると共に、点火プラグの電極部の消耗を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態による内燃機関の制御装置が適用されるエンジンシステムの概略構成図である。
【図２】内燃機関の制御装置が制御する点火装置の回路図である。
【図３】点火装置の基本動作を説明したタイムチャートである。
【図４】第１実施形態の制御装置が行う処理を説明したフローチャートである。
【図５】噴射時期と放電維持期間との関係を説明したタイムチャートである。
【図６】噴射時期とトルク変動率及びＮＯｘ排出量との関係を示すグラフである。
【図７】燃料噴霧がタンブル流と共に燃焼室を旋回する様子を説明する説明図である。
【図８】内燃機関の運転領域を説明するマップである。
【図９】圧縮行程における噴射時期を説明するマップである。
【図１０】第２実施形態の制御装置が行う処理を説明したフローチャートである。
【図１１】噴射時期と放電時期及び維持期間との関係を説明したタイムチャートである。
【図１２】第３実施形態の制御装置が行う処理を説明したフローチャートである。
【図１３】燃料噴射量とトルク変動率及びＮＯｘ排出量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による内燃機関の制御装置は、車両等に搭載されるエンジンシステムの各部を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）である。以下の説明では、特許請求の範囲に記載の「内燃機関」を「エンジン」という。
【００１０】
［エンジンシステムの構成］
まず、エンジンシステムの概略構成について図１を参照して説明する。
エンジンシステム１０は火花点火式のエンジン１３を備えている。エンジン１３は、例えば４気筒等の多気筒エンジンであり、図１では１気筒の断面のみを図示している。以下に説明する構成は、図示しない他の気筒にも同様に設けられている。
【００１１】
エンジン１３は、スロットル弁１４を通じて吸気マニホールド１５から供給される空気と燃料噴射弁１６から噴射される燃料との混合気を燃焼室１７内で燃焼させ、その燃焼時の爆発力によりピストン１８を往復運動させる。このピストン１８の往復運動は、クランクシャフト１９により回転運動に変換されて出力される。燃焼ガスは、排気マニホールド２０等を通じて大気中に放出される。
燃焼室１７の入口であるシリンダヘッド２１の吸気ポートには吸気弁２２が設けられ、また燃焼室１７の出口であるシリンダヘッド２１の排気ポートには排気弁２３が設けられている。吸気弁２２とスロットル弁１４との間に設けられた気流制御弁２４は、燃焼室１７に導入される気流によりタンブル流を形成可能である（図７参照）。
なお、本実施形態の燃料噴射弁１６は、エンジン１３の燃焼室１７に燃料を直接噴射する直噴型である。
【００１２】
燃焼室１７の混合気の点火は、点火装置３０によって点火プラグ７の電極間に火花放電を発生させることにより行われる。点火装置３０は、制御装置３２の指令に基づき点火回路ユニット３１を動作させて点火コイル４０から点火プラグ７に高電圧を印加することにより、燃焼室１７で火花放電を発生させる。
点火プラグ７は、エンジン１３の燃焼室１７で所定のギャップを隔てて対向する一対の電極（図２参照）を有し、上記ギャップで絶縁破壊を生させる高電圧が一対の電極間に印加されると火花放電を発生する。以下の説明において、「高電圧」とは、点火プラグ７が一対の電極間に放電を発生し得る電圧をいう。
【００１３】
制御装置３２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力ポート等からなるマイクロコンピュータによって構成されている。
制御装置３２は、アクセルペダル１１、燃圧センサ３４、筒内圧センサ３５、排気圧センサ３６、水温センサ３７、ＮＯｘセンサ３８、吸気圧センサ３９及びクランク角センサ１２等の各種センサから、破線矢印で示すように、検出信号が入力される。
【００１４】
筒内圧センサ３５は、気筒内の圧力を検出する。クランク角センサ１２は、クランクシャフト１９の回転数を検出する。気筒内に噴射された燃料が着火しないサイクルが増加すると、サイクルごとの燃焼室１７の圧力変動のばらつきが大きくなり、また、クランクシャフト１９の回転数のばらつきが大きくなる。制御装置３２は、筒内圧センサ３５又はクランク角センサ１２からエンジンのトルク変動率を検出することが可能である。本実施形態の筒内圧センサ３５及びクランク角センサ１２の少なくともいずれか一方が特許請求の範囲に記載の「トルク検出手段」の一例に相当する。
ＮＯｘセンサ３８は、エンジン１３の燃焼室１７から排出される排ガスに含まれるＮＯｘ濃度を検出する。本実施形態のＮＯｘセンサ３８が特許請求の範囲に記載の「ＮＯｘ濃度検出手段」の一例に相当する。
制御装置３２は、上述した各種センサからの検出信号に基づき、実線矢印で示すように、スロットル弁１４、気流制御弁２４、燃料噴射弁１６、及び点火回路ユニット３１等を駆動してエンジン１３の運転を制御する。
【００１５】
［点火装置の構成］
次に、点火装置３０の構成について図２を参照して説明する。
図２に示すように、点火装置３０は、点火コイル４０及び点火回路ユニット３１などを含む。
点火コイル４０は、一次コイル４１、二次コイル４２及び整流素子４３を有し、公知の昇圧トランスを構成している。
一次コイル４１は、一端が、一定の直流電圧を供給可能な「直流電源」としてのバッテリ６の正極に接続され、他端が点火スイッチ４５を介して接地されている。なお、以下、一次コイル４１の反バッテリ側を「接地側」という。
二次コイル４２は、一次コイル４１と磁気回路を共有しており、一端が点火プラグ７の一対の電極を介して接地され、他端が接地されている。即ち、二次コイル４２は、一端と他端とが閉回路を構成している。
【００１６】
一次コイル４１に流れる電流を一次電流Ｉ１といい、一次電流Ｉ１の通電及び遮断によって発生し、二次コイル４２に流れる電流を二次電流Ｉ２という。図中に矢印で示すように、一次電流Ｉ１は、一次コイル４１から点火スイッチ４５に向かう方向の電流を正とし、二次電流Ｉ２は、二次コイル４２から点火プラグ７に向かう方向の電流を正とする。
点火コイル４０は、一次コイル４１を流れる電流の変化に応じた相互誘導作用により二次コイル４２に高電圧を発生させ、この高電圧を点火プラグ７に印加する。
【００１７】
点火回路ユニット３１は、点火スイッチ（イグナイタ）４５、エネルギ投入部５０及び二次電流検出回路４８等を有している。
点火スイッチ４５は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）で構成されており、コレクタが点火コイル４０の一次コイル４１の接地側に接続され、エミッタが接地され、ゲートが制御装置３２に接続されている。コレクタは、整流素子４６を介してエミッタに接続されている。
点火スイッチ４５は、制御装置３２からゲートに入力される点火信号ＩＧＴに応じてオンオフ動作する。詳しくは、点火スイッチ４５は、点火信号ＩＧＴの立ち上がり時にオンとなり、点火信号ＩＧＴの立ち下がり時にオフとなる。一次コイル４１に流れる一次電流Ｉ１は、点火信号ＩＧＴに従い、点火スイッチ４５により通電及び遮断が切り替えられる。
【００１８】
「エネルギ投入手段」としてのエネルギ投入部５０は、ＤＣＤＣコンバータ５１、コンデンサ５６、放電スイッチ５７、放電スイッチ用ドライバ回路５８及び整流素子５９を有している。
ＤＣＤＣコンバータ５１は、エネルギ蓄積コイル５２、充電スイッチ５３、充電スイッチ用ドライバ回路５４、及び整流素子５５から構成されている。ＤＣＤＣコンバータ５１は、バッテリ６の電圧を昇圧し、コンデンサ５６に供給する。
【００１９】
エネルギ蓄積コイル５２は、一端がバッテリ６に接続され、他端が充電スイッチ５３を介して接地されている。充電スイッチ５３は、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）で構成されており、ドレインがエネルギ蓄積コイル５２に接続され、ソースが接地され、ゲートがドライバ回路５４に接続されている。ドライバ回路５４は、充電スイッチ５３をオンオフ駆動可能である。
整流素子５５は、ダイオードで構成されており、コンデンサ５６からエネルギ蓄積コイル５２及び充電スイッチ５３側への電流の逆流を防止する。
【００２０】
充電スイッチ５３がオンしたとき、エネルギ蓄積コイル５２に誘起電流が流れ、電気エネルギが蓄積される。また、充電スイッチ５３がオフしたとき、エネルギ蓄積コイル５２に蓄積された電気エネルギがバッテリ６の直流電圧に重畳してコンデンサ５６側へ放出される。充電スイッチ５３がオンオフ動作を繰り返すことで、エネルギ蓄積コイル５２にてエネルギの蓄積と放出が繰り返され、バッテリ電圧が昇圧される。
コンデンサ５６は、一方の電極が整流素子５５を介してエネルギ蓄積コイル５２と充電スイッチ５３との間の配線に接続され、他方の電極が接地されている。コンデンサ５６は、ＤＣＤＣコンバータ５１によって昇圧された電圧を蓄電する。
【００２１】
放電スイッチ５７は、例えばＭＯＳＦＥＴで構成されており、ドレインがコンデンサ５６に接続され、ソースが一次コイル４１の接地側に接続され、ゲートがドライバ回路５８に接続されている。ドライバ回路５８は、放電スイッチ５７をオンオフ駆動可能である。
整流素子５９は、ダイオードで構成されており、一次コイル４１からコンデンサ５６への電流の逆流を防止している。
【００２２】
二次電流検出回路４８は、二次電流検出抵抗４７の両端電圧に基づいて二次コイル４２に流れる二次電流Ｉ２を検出する。そして、この二次電流検出回路４８は、二次電流Ｉ２を目標値（以下「維持目標電流値Ｉ２*」という。）に一致させるようとするフィードバック制御により、放電スイッチ５７のオンデューティ比を決定し、ドライバ回路５８に指令する。
【００２３】
制御装置３２は、エンジンの負荷及び回転数等から定められる運転領域に応じて放電を良好に維持可能な程度の電流に維持目標電流値Ｉ２*を設定する。制御装置３２は、維持目標電流値Ｉ２*を指示するための目標二次電流信号ＩＧＡを生成し、二次電流検出回路４８を介してドライバ回路５８に出力する。
また、制御装置３２は、各種センサから取得したエンジン１３の運転情報に基づいて、点火信号ＩＧＴ及びエネルギ投入期間信号ＩＧＷを生成し、点火回路ユニット３１に出力する。
【００２４】
点火信号ＩＧＴは、点火スイッチ４５のゲートと、充電スイッチ用ドライバ回路５４に入力される。点火スイッチ４５は、点火信号ＩＧＴが入力されている期間、オンとなる。ドライバ回路５４は、点火信号ＩＧＴが入力されている期間、充電スイッチ５３のゲートに対し、充電スイッチ５３をオンオフ制御する充電スイッチ信号ＳＷｃを繰り返し出力する。本実施形態では、充電スイッチ信号ＳＷｃは、周期が一定でオンデューティ比が可変である矩形波パルス信号である。
【００２５】
エネルギ投入期間信号ＩＧＷは、放電スイッチ用ドライバ回路５８に入力される。ドライバ回路５８は、エネルギ投入期間信号ＩＧＷが入力されている期間、放電スイッチ５７のゲートに対し、放電スイッチ５７をオンオフ制御する放電スイッチ信号ＳＷｄを繰り返し出力する。ドライバ回路５８は、二次電流検出回路４８から入力される目標二次電流信号ＩＧＡに基づき、放電スイッチ信号ＳＷｄのオンデューティ比を変更する。本実施形態では、放電スイッチ信号ＳＷｄは、周期が一定でオンデューティ比が可変である矩形波パルス信号である。
【００２６】
［点火装置の作動］
次に、点火装置３０の作動について図３のタイムチャートを参照して説明する。図３のタイムチャートは、共通の時間軸を横軸とし、縦軸に上から順に、点火信号ＩＧＴ、エネルギ投入期間信号ＩＧＷ、コンデンサ電圧Ｖｄｃ、一次電流Ｉ１、二次電流Ｉ２、投入エネルギＰ、充電スイッチ信号ＳＷｃ、放電スイッチ信号ＳＷｄの時間変化を示している。
ここで、「コンデンサ電圧Ｖｄｃ」はコンデンサ５６に蓄電された電圧を意味する。また、「投入エネルギＰ」は、コンデンサ５６から放出され、一次コイル４１の低電圧側端子側から点火コイル４０に供給されるエネルギを意味し、１回の点火タイミング中における供給開始（最初の放電スイッチ信号ＳＷｄの立ち上がり）からの積算値を示す。
【００２７】
図３の記載において、「一次電流Ｉ１」及び「二次電流Ｉ２」は、図２に示す矢印方向の電流を正の値とし、矢印と反対方向の電流を負の値とする。以下の説明において、負の電流の大小に言及する場合、「電流の絶対値」を基準として大小を表す。すなわち、負領域において、電流値が０［Ａ］から離れ絶対値が大きくなるほど「電流が増加又は上昇する」といい、０［Ａ］に近づき絶対値が小さくなるほど「電流が減少又は低下する」という。
【００２８】
また、エネルギ投入期間信号ＩＧＷが出力されている時刻ｔ３−ｔ４の期間における二次電流Ｉ２の制御目標値を、「維持目標電流値Ｉ２*」とする。維持目標電流値Ｉ２*は、エンジンの負荷及び回転数等から定められる運転領域に応じて放電を良好に維持可能な程度の電流値に設定される。本実施形態では、波形の最大値を目標値とするが、他の実施形態では、波形の最大値と最小値との中間値を目標値としてもよく、又は最小値を目標値としてもよい。
【００２９】
時刻ｔ１にて点火信号ＩＧＴがＨ（ハイ）レベルに立ち上がると、点火スイッチ４５がオンされる。このとき、エネルギ投入期間信号ＩＧＷはＬ（ロー）レベルであるので放電スイッチ５７はオフされている。これにより、一次コイル４１に一次電流Ｉ１が通電される。
【００３０】
また、点火信号ＩＧＴがＨレベルに立ち上がっている間、矩形波パルス状の充電スイッチ信号ＳＷｃが、充電スイッチ５３のゲートに入力される。これにより、充電スイッチ５３のオン後のオフ期間に、コンデンサ電圧Ｖｄｃがステップ状に上昇する。
このようにして、点火信号ＩＧＴがＨレベルに立ち上がっている時刻ｔ１−ｔ２間に、点火コイル４０が充電されるとともに、ＤＣＤＣコンバータ５１の出力によってコンデンサ５６にエネルギが蓄積される。このエネルギの蓄積は、時刻ｔ２までに終了する。
なお、コンデンサ電圧Ｖｄｃ、すなわちコンデンサ５６のエネルギ蓄積量は、充電スイッチ信号ＳＷｃのオンデューティ比、及びオンオフ回数によって制御可能である。
【００３１】
その後、時刻ｔ２にて点火信号ＩＧＴがＬレベルに立ち下げられ、点火スイッチ４５がオフされると、それまで一次コイル４１に通電していた一次電流Ｉ１が急激に遮断される。すると自己誘電作用により一次コイル４１に電圧が発生し、これと同時に磁気回路及び磁束を共有している二次コイル４２に相互誘導作用によって高電圧が発生し、点火プラグ７の電極間にて放電が発生する。放電が発生すると、二次電流Ｉ２が流れる。
時刻ｔ２で放電を発生させた後にエネルギ投入を行わない場合、二次電流Ｉ２は、破線で示すように、時間経過とともに０［Ａ］に近づき、放電を維持できない程度まで減衰すると放電は終了する。このような放電による点火方式を「通常点火」という。
【００３２】
それに対し本実施形態では、時刻ｔ２の直後の時刻ｔ３にエネルギ投入期間信号ＩＧＷがＨレベルに立ち上がることで、充電スイッチ５３がオフの状態で放電スイッチ５７がオンされる。これにより、コンデンサ５６に蓄積されたエネルギが放出され、一次コイル４１の接地側に投入される。これにより、放電中に、「投入エネルギＰに起因する一次電流Ｉ１」が通電する。なお、投入エネルギＰは、時刻ｔ２までに蓄積されたコンデンサ電圧Ｖｄｃが高いほど大きいものとなる。
【００３３】
このとき、二次コイル４２には、時刻ｔ２−ｔ３間に通電されていた二次電流Ｉ２に対し、投入エネルギＰに起因する一次電流Ｉ１の通電に伴う追加分の二次電流Ｉ２が同じ極性で重畳される。この二次電流Ｉ２の重畳は、時刻ｔ３−ｔ４の間、放電スイッチ５７がオンされる毎に行われる。
すなわち、放電スイッチ信号ＳＷｄがオンになる毎に、コンデンサ５６に蓄積されたエネルギにより一次電流Ｉ１が順次追加され、これに対応して、二次電流Ｉ２が順次追加される。これにより、二次電流Ｉ２は、維持目標電流値Ｉ２*に一致するように維持される。
時刻ｔ４でエネルギ投入期間信号ＩＧＷがＬレベルに立ち下がると、放電スイッチ信号ＳＷｄのオンオフ動作が停止し、一次電流Ｉ１、二次電流Ｉ２ともにゼロとなる。
【００３４】
このように、時刻ｔ２における放電の後、「一次コイル４１の接地側」から点火コイル４０にエネルギを投入する制御方式を、本明細書において「エネルギ投入制御」という。
一方、周知の多重放電方式のように、一次コイル４１のバッテリ６側にエネルギを投入する方式、或いは二次コイル４２の点火プラグ７と反対側から点火コイル４０にエネルギを投入する方式を包括して「従来の多重放電方式」という。上述した「エネルギ投入制御」は、「従来の多重放電方式」に比べ、低電圧側からエネルギを投入することにより、放電が継続可能な最低限のエネルギを効率良く投入しつつ、放電アークが維持される状態を一定期間持続させることができる。
【００３５】
［第１実施形態の特徴］
ところで、本実施形態では、成層燃焼モードによる運転を行う際、エネルギ投入期間信号ＩＧＷがＨレベルに立ち上がっている間、放電スイッチ信号ＳＷｄがオンになる毎に、一次電流Ｉ１が順次追加される。そのため、エネルギ投入期間を長く設定すると、エネルギ投入部５０が消費するエネルギが増大し、そのエネルギを作り出すための燃費が悪化することが懸念される。一方、エネルギ投入期間を短くすると、希薄混合気に対する着火性が悪化し、失火によりトルク変動率が増大する、又は燃焼悪化によりＮＯｘ排出量が増大する等の問題が発生するおそれがある。
【００３６】
そこで、本実施形態のエンジン１３の制御装置３２は、トルク変動率と排ガスのＮＯｘ濃度をモニタしつつ、それらが所定の条件を満たす範囲内で、点火プラグ７の放電時期と燃料噴射弁１６の噴射時期とを近づけ、それと共にエネルギ投入期間を短くすることを特徴とする。点火プラグ７の放電時期と燃料噴射弁１６の噴射時期とを近づければ、その分、放電アークの伸長が短い状態で混合気に着火することが可能である。これにより、制御装置３２は、点火放電に消費されるエネルギを低減することができる。
【００３７】
以下、本実施形態の制御装置３２がエンジンシステム１０に対して行う処理について、図４のフローチャートを参照して説明する。なお、図４では、ステップを「Ｓ」と表示している。
また、以下の説明において、制御装置３２は、噴射制御手段８１、放電時期設定手段８２、エネルギ投入期間設定手段８３、最遅角限界設定手段８４、ＮＯｘ判定手段８５、トルク判定手段８６及びエネルギ低減手段８７として機能する（図１参照）。
【００３８】
制御装置３２は、この処理をエンジン１３の運転の開始と共に実行する。
ステップ１０１で処理が開始されると、ステップ１０２で制御装置３２は、アクセルペダル１１の踏み込み量及びクランク角センサ１２からの出力を読み込む。
続いてステップ１０３で制御装置３２は、上記アクセルペダル１１の踏み込み量及びクランク角センサ１２の出力等に基づき、エンジン１３の負荷ＫＬ及び回転数ＮＥを算出する。
【００３９】
次にステップ１０４で制御装置３２は、予め記憶された図８に示すマップを参照し、上記の負荷、即ちトルクと及び回転数からエンジン１３の運転領域を設定する。
続いてステップ１０５では、ステップ１０４で設定した運転領域がリーン燃焼領域であるか否かを判定する。運転領域がリーン燃焼領域である場合（ステップ１０５；ＹＥＳ）、処理はステップ１０６に移行する。一方、運転領域が通常燃焼領域である場合（ステップ１０５；ＮＯ）、処理は上述のステップ１０１からステップ１０５を繰り返し実行する。
【００４０】
続いてステップ１０６で制御装置３２は、噴射制御手段８１として機能し、予め記憶されたマップを参照して燃料噴射弁１６の噴射時期及び噴射量等を設定し、それらを実行する。このとき制御装置３２は、図５（ａ）に示すように、エンジン１３の吸気行程で燃料噴射弁１６から一次噴射を行い、圧縮行程で二次噴射を行う。この圧縮行程における二次噴射の噴射時期を示すマップの一例を図９に示す。制御装置３２は、このようなマップに従い、圧縮行程での二次噴射の噴射時期を設定し、それを実行する。
【００４１】
また、ステップ１０６で制御装置３２は、放電時期設定手段８２及びエネルギ投入期間設定手段８３として機能し、予め記憶されたマップ（不図示）を参照して点火プラグ７の放電時期、エネルギ投入期間及び維持目標電流値Ｉ２*等を設定し、それらを実行する。このとき制御装置３２は、圧縮行程で燃料噴射弁１６から噴射された燃料噴霧が点火プラグ７の電極を通過した後に点火放電を行う。
【００４２】
ここで、制御装置３２の二次噴射の噴射時期、点火プラグ７の放電時期及びエネルギ投入期間の設定方法について説明する。
図７では、圧縮行程で燃料噴射弁１６から噴射された燃料噴霧がタンブル流と共に燃焼室を旋回する様子を示している。図７では、燃料噴霧を符号Ｆ、タンブル流を符号Ｔ、タンブル流の渦中心を符号Ｃ、その渦中心Ｃを含み気筒の軸に垂直な仮想平面を符号Ｓ、点火プラグ７の放電アークを符号Ａで示す。
【００４３】
図７（ａ）に示すように、燃料噴射弁１６はタンブル流Ｔに沿うように、点火プラグ７の電極またはその近傍に向けて燃料を噴射する。
その燃料噴霧Ｆは、点火プラグ７の電極を通過した後、図７（ｂ）−（ｄ）に示すように、タンブル流Ｔと共に前記仮想平面Ｓのピストン１８側を旋回移動する。図７（ｂ）−（ｄ）では、燃料噴霧Ｆが図に示す位置にあるときに、その燃料噴霧Ｆに着火可能な放電アークＡの伸長量をそれぞれ図示している。図７（ｂ）−（ｄ）に示すように、噴射時期と放電時期とのインターバルが大きい程、燃料噴霧Ｆはタンブル流Ｔと共に燃焼室を旋回して点火プラグ７の電極から遠ざかるので、着火に必要な放電アークＡは長くなる。なお、放電アークＡは、放電の継続時間が長い程、タンブル流Ｔによって伸ばされる。
【００４４】
図６では、点火プラグ７の放電時期を所定の時期に定めた上で、圧縮行程における燃料噴射弁１６からの二次噴射の噴射時期（ＳＯＩ）を変えた場合のエンジンのトルク変動率と、排ガス中のＮＯｘ濃度の実験結果を示している。
ＮＯｘ濃度は、所定の時期を境に噴射時期を進角するほど減少し、噴射時期を遅角するほど減少している。本実施形態では、制御装置３２は、最遅角限界設定手段８４として機能し、この所定の時期を燃料噴射の「最遅角限界」として設定する。
【００４５】
また、トルク変動率は、その最遅角限界を境に噴射時期を進角するほど増大し、噴射時期を遅角するほど増大している。但し、最遅角限界よりも進角側に噴射時期を設定したときは、最遅角限界よりも遅角側に噴射時期を設定したときと比較して、同じトルク変動率であっても排ガスのＮＯｘ濃度が低いことが読み取れる。そのため、本実施形態では、制御装置３２は、最遅角限界よりも進角側を制御領域として、そこに噴射時期を設定する。
なお、最遅角限界よりも進角側に噴射時期を設定した場合、所定の構成を備えたエンジン１３において、図７（ｂ）から（ｄ）に示すように、前記仮想平面Ｓのピストン１８側を燃料噴霧Ｆが移動するときに点火プラグ７の放電時期が到来することが実験から証明されている。
【００４６】
上述したステップ１０６では、このようにして燃料噴射弁１６の噴射時期、点火プラグ７の放電時期、及びエネルギ投入期間等が設定され、実施される。
次に、ステップ１０７で制御装置３２はＮＯｘ判定手段８５として機能し、ＮＯｘセンサ３８からの検出信号により、その検出値が所定値Ｘ以下であるか否かを判定する（図６参照）。ＮＯｘセンサ３８によるＮＯｘ検出値が所定値Ｘ以下の場合（ステップ１０７；ＹＥＳ）、処理はステップ１０８に移行する。
【００４７】
ステップ１０８で制御装置３２は、筒内圧センサ３５又及びクランク角センサ１２の少なくともいずれか一方の検出信号により、トルク変動率を検出する。なお、トルク変動率とは、基準となるエンジンのトルクに対し、複数回の燃焼サイクルでエンジンのトルクが変動する割合をいう。制御装置３２はトルク判定手段８６として機能し、トルク変動率が所定値Ｙ以下の場合（ステップ１０８；ＹＥＳ）、処理をステップ１０９に移行する。
なお、図６に示した所定値Ｘ及びＹはその一例を示したものであり、所定値Ｘ及びＹはエンジンに要求される性能等により任意に設定可能である。
【００４８】
一方、ステップ１０７においてＮＯｘ検出値が所定値Ｘより大きい場合（ステップ１０７；ＮＯ）、処理は上述のステップ１０１からステップ１０７を繰り返し実行する。また、ステップ１０８においてトルク変動率が所定値Ｙより大きい場合（ステップ１０８；ＮＯ）、処理は上述のステップ１０１からステップ１０８を繰り返し実行する。
【００４９】
ステップ１０９で制御装置３２はエネルギ低減手段８７として機能し、図５（ｂ）に示すように、燃料噴射弁１６による圧縮行程での二次噴射の時期を遅角する。それと同時に、ステップ１１０で制御装置３２は、図５（ｂ）に示すように、エネルギ投入期間を短く設定し、放電を維持する期間を短くする。なお、噴射時期の遅角量とエネルギ投入期間の短縮量は、例えば実験データにより求められて予め記憶された制御マップ、又はエンジン運転時の学習結果等により定めることが可能である。或いはＮＯｘ検出値とトルク変動率をモニタしつつ、噴射時期の遅角とエネルギ投入期間の短縮を徐々に行ってもよい。
【００５０】
これにより、ステップ１０６では、例えば図７（ｄ）に示すように放電アークＡの長い伸長量を必要としていたものが、ステップ１０９で噴射時期を遅角することにより、例えば図７（ｂ）に示すように放電アークＡの伸長量を短くして着火することが可能である。したがって、本実施形態のエンジンの制御装置３２が行う処理は、放電の維持期間を短くすることで、放電に消費されるエネルギを低減することができる。
【００５１】
［第１実施形態の作用効果］
第１実施形態のエンジンの制御装置３２は、次の作用効果を奏する。
（１）第１実施形態では、エンジンのトルク変動率と排ガスのＮＯｘ濃度が所定の条件を満たすとき、点火プラグ７の放電時期と燃料噴射弁１６の噴射時期とを近づけると共に、放電の維持期間を短くする。
これにより、点火プラグ７の放電時期と燃料噴射弁１６の噴射時期とを近づけると、その分、点火プラグ７の放電アークの伸長が短い状態で混合気に着火する。そのため、点火プラグ７の放電の維持期間を短縮することで、エネルギ投入部５０が消費するエネルギを低減することが可能になる。したがって、この制御装置３２は、エンジンのトルク変動率の増大とＮＯｘ排出量の増加を抑制すると共に、点火放電の消費エネルギを低減することができる。また、この制御装置３２は、点火放電の消費エネルギの低減により、そのエネルギを生成するために消費される燃費を低減すると共に、点火プラグ７の電極部の消耗を抑制することができる。
【００５２】
（２）第１実施形態では、エンジンの制御装置３２はエネルギ低減手段８７として機能し、燃料噴射弁１６の噴射時期を遅角する。
これにより、エンジンの制御装置３２は、点火プラグ７の放電時期と燃料噴射弁１６の噴射時期とを近づけることが可能である。
【００５３】
（４）第１実施形態では、混合気をリーン燃焼する際、エンジンの吸気行程で一次噴射を行い、圧縮行程で二次噴射を行う。このとき、エンジンの制御装置３２はエネルギ低減手段８７として機能し、二次噴射の噴射時期を遅角する。
これにより、成層燃焼運転において、エンジンのトルク変動及びＮＯｘ排出量を所定条件に保ちつつ、点火放電に消費されるエネルギを低減することができる。
【００５４】
（５）第１実施形態では、エンジンの制御装置３２は最遅角限界設定手段８４として機能し、点火プラグ７の放電時期に対し燃料噴射弁１６の噴射時期を遅角していった場合に、ＮＯｘセンサ３８の検出値が増加傾向から減少傾向に変化する時期を最遅角限界として設定する。そして、エンジンの制御装置３２はエネルギ低減手段８７として機能し、その最遅角限界よりも進角側で噴射時期の遅角制御を行う。
最遅角限界よりも進角側で噴射時期を制御するときは、最遅角限界よりも遅角側で噴射時期を制御するときと比較して、同じトルク変動率であっても排ガスのＮＯｘ濃度が低いことが実験から明らかである。そのため、エンジンの制御装置３２は、最遅角限界よりも進角側で噴射時期を制御することで、トルク変動率とＮＯｘ濃度を共に低減することができる。
【００５５】
（６）第１実施形態では、エンジンの制御装置３２はエネルギ低減手段８７として機能し、燃料噴射弁１６から噴射された燃料噴霧が、前記仮想平面Ｓのピストン側をタンブル流と共に移動するときに点火プラグ７の放電時期が到来するように噴射時期を遅角する。
これにより、所定の構成を備えたエンジンにおいて、点火プラグ７の放電アークの伸長を短くして燃料噴霧に着火可能な態様が例示される。
【００５６】
（７）第１実施形態では、エネルギ投入部５０は、点火スイッチ４５により一次電流Ｉ１を遮断し、二次電流Ｉ２による点火プラグ７の放電を発生した後に放電が継続可能なエネルギを一次コイル４１の接地側から一次コイル４１に投入する。
これにより、エネルギ投入部５０は、放電が継続可能な最低限のエネルギを効率良く投入し、前記仮想平面Ｓを超えて放電アークを伸長させることができる。したがって、点火放電に消費されるエネルギを低減することができる。
【００５７】
（８）第１実施形態では、燃料噴射弁１６は、燃焼室１７に形成されるタンブル流に沿うように、点火プラグ７の電極またはその近傍に向けて燃料を噴射する。
これにより、燃料噴射弁１６から噴射された燃料噴霧は、電極を通過した後、タンブル流とともに燃焼室１７を旋回移動する。
【００５８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図１０及び図１１に示す。以下、複数の実施形態において上述した第１実施形態と実質的に同一の構成及び処理には同一の符号を付して説明を省略する。
図１０に示すように、第２実施形態においても、ステップ１０６で燃料噴射弁１６の噴射時期等と、点火プラグ７の放電時期及びエネルギ投入期間等を設定し、これらを実行する。このときの燃料噴射弁１６の噴射時期、点火プラグ７の放電時期及びエネルギ投入期間は、図１１（ａ）に示すように、第１実施形態と同一である。
【００５９】
第２実施形態では、ステップ１２０において、制御装置３２はエネルギ低減手段８７として機能し、図１１（ｂ）に示すように、放電時期設定手段により点火プラグ７の放電時期を進角する。それと同時に、制御装置３２は、図１１（ｂ）に示すように、エネルギ投入期間を短く設定し、放電の維持期間を短くする。これにより、点火プラグ７の放電時期と燃料噴射弁１６の噴射時期とを近づけることが可能である。したがって、第２実施形態においても、放電アークの伸長量を短くして着火することが可能であるので、点火プラグ７の放電の維持期間を短縮することで、点火放電に消費されるエネルギを低減することができる。
なお、この第２実施形態の制御は、上述した第１実施形態の制御と組み合わせて行うことが可能である。
【００６０】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図１２及び図１３に示す。
図１３は、点火プラグ７の放電時期を所定の時期に定めた上で、圧縮行程における燃料噴射量を変えた場合のエンジンのトルク変動率と、排ガス中のＮＯｘ濃度の実験結果を示したものである。燃料噴射量を増加するとトルク変動率は小さくなる反面、ＮＯｘ濃度は大きくなる。
【００６１】
図１２及び図１３に示すように、第３実施形態においても、ステップ１０７で制御装置３２は、ＮＯｘセンサ３８によるＮＯｘ検出値が所定値Ｘ以下の場合（ステップ１０７；ＹＥＳ）、処理はステップ１０８に移行する。また、ステップ１０８で制御装置３２は、トルク変動率が所定値Ｙ以下の場合（ステップ１０８；ＹＥＳ）、処理をステップ１３０に移行する。
第３実施形態では、ステップ１３０において、制御装置３２は噴射制御手段８１として機能し、燃料噴射弁１６の燃料噴射量を増加する。これにより、燃料噴霧への着火性が向上するので、点火プラグ７の放電の維持期間を短縮することが可能になる。したがって、第３実施形態においても、エンジンのトルク変動率の増大とＮＯｘ排出量の増加を抑制すると共に、点火放電に消費されるエネルギを低減することができる。
なお、この第３実施形態の制御は、上述した第１、第２実施形態の制御と組み合わせて行うことが可能である。
【００６２】
（その他の実施形態）
（ア）上記実施形態では、エネルギ投入部５０によるエネルギ投入制御により、二次電流Ｉ２を維持目標電流値Ｉ２*に維持するようにした。これに対し、他の実施形態では、従来の多重放電方式や特開２０１２−１６７６６５号公報に開示された「ＤＣＯ方式」等により二次電流Ｉ２を維持目標電流値Ｉ２*に維持してもよい。
【００６３】
（イ）上記実施形態では、エネルギ投入部５０によるエネルギ投入制御は、図３に示したように、点火信号ＩＧＴのＨレベル中に充電スイッチ信号ＳＷｃをオンオフしてコンデンサ電圧Ｖｄｃを蓄積した後、エネルギ投入期間に一次コイル４１の接地側にエネルギを投入した。これに対し、他の実施形態では、例えば、エネルギ投入期間に充電スイッチ信号ＳＷｃと放電スイッチ信号ＳＷｄとを交互にオンオフ制御することにより、充電スイッチ信号ＳＷｃがオンのときにエネルギ蓄積コイル５２が蓄積したエネルギを、その都度一次コイル４１の接地側に投入するようにしてもよい。その場合、コンデンサ５６を備えなくてもよい。
【００６４】
（ウ）上記実施形態では、二次電流検出回路４８は、二次電流検出抵抗４７により検出した二次電流Ｉ２を維持目標電流値Ｉ２*に一致させるようとするフィードバック制御を行った。これに対し、他の実施形態では、例えば、二次電流検出回路４８を備えることなく、二次電流Ｉ２をフィードフォワード制御してもよい。
【００６５】
（エ）他の実施形態では、点火回路ユニット３１は、ＥＣＵを収容するケースに収容するか、あるいは点火コイルを収容するケースに収容してもよい。
（オ）他の実施形態では、点火スイッチ４５及びエネルギ投入部５０は、別々のケースに収容してもよい。例えば、点火コイルを収容するケースに点火スイッチを収容し、また、ＥＣＵを収容するケースにエネルギ投入部を収容してもよい。
【００６６】
（カ）点火スイッチは、ＩＧＢＴに限らず、比較的耐圧の高い他のスイッチング素子で構成してもよい。また、充電スイッチ５３及び放電スイッチ５７は、ＭＯＳＦＥＴに限らず、他のスイッチング素子で構成してもよい。
（キ）直流電源は、バッテリ６に限らず、例えば交流電源をスイッチングレギュレータ等によって安定化した直流安定化電源等で構成してもよい。
【００６７】
（ク）上記実施形態では、エネルギ投入部５０は、ＤＣＤＣコンバータ５１によって、バッテリ６の電圧を昇圧した。これに対し、他の実施形態では、点火装置３０がハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される場合には、主機バッテリの出力電圧をそのまま、或いは降圧して、投入エネルギとして用いてもよい。
このように、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、上記複数の実施形態を組み合わせることに加え、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００６８】
７  ・・・点火プラグ
１０・・・エンジンシステム
１２・・・クランク角センサ（トルク検出手段）
１６・・・燃料噴射弁
３２・・・制御装置
３５・・・筒内圧センサ（トルク検出手段）
３８・・・ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ濃度検出手段）
４０・・・点火コイル
４５・・・点火スイッチ
５０・・・エネルギ投入手段（エネルギ投入部）
【図１】
2015200262.tif 000003
【図２】
2015200262.tif 000004
【図３】
2015200262.tif 000005
【図４】
2015200262.tif 000006
【図５】
2015200262.tif 000007
【図６】
2015200262.tif 000008
【図７】
2015200262.tif 000009
【図８】
2015200262.tif 000010
【図９】
2015200262.tif 000011
【図１０】
2015200262.tif 000012
【図１１】
2015200262.tif 000013
【図１２】
2015200262.tif 000014
【図１３】
2015200262.tif 000015