(57)【要約】【課題】エンジンの筒内の混合気の成層化の度合をエンジン運転状態に応じた適正な度合に精度良く制御できるようにする。【解決手段】エンジン運転状態に基づいて目標成層度合を設定し、この目標成層度合に基づいて各気筒の２つのスワール制御弁３５の開度と２つの燃料噴射弁２１の噴射条件を個別に設定する。具体的には、目標成層度合が大きいほど一方の吸気ポート３１内の吸気流速が速くなるようにスワール制御弁３５の開度を設定する。また、目標成層度合が大きいほど吸気ポート３１内の吸気流速が速い側の燃料噴射弁２１の噴射量を少なくして吸気流速が遅い側の燃料噴射弁２１の噴射量を多くする。更に、吸気ポート３１内の吸気流速が速い側の燃料噴射弁２１の噴射時期を排気行程から吸気行程前期までの期間内に設定して吸気流速が遅い側の燃料噴射弁２１の噴射時期を吸気行程後期に設定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の各気筒に２つの吸気ポートが設けられ、各気筒の一方の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁と他方の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁と、各気筒のスワール流を制御するスワール制御手段とを備えた内燃機関の制御装置において、
内燃機関の運転状態に基づいて筒内の混合気の成層化の目標度合（以下「目標成層度合」という）を設定し、該目標成層度合に基づいて前記スワール制御手段の制御量を設定すると共に各気筒の一方の燃料噴射弁の噴射条件と他方の燃料噴射弁の噴射条件を個別に設定する制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記目標成層度合が大きいほど各気筒の一方の吸気ポート内の吸気流速が他方の吸気ポート内の吸気流速よりも速くなるように前記スワール制御手段の制御量を設定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。
【請求項３】
前記制御手段は、前記目標成層度合が大きいほど各気筒の吸気流速が速い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射量を少なくして吸気流速が遅い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射量を多く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】
前記制御手段は、各気筒の吸気流速が速い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射時期を排気行程から吸気行程前期までの期間内に設定して吸気流速が遅い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射時期を吸気行程後期に設定することを特徴とする請求項２又は３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、内燃機関の筒内の混合気を成層化する機能を備えた内燃機関の制御装置に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される内燃機関においては、燃費節減や排気エミッション低減等を目的として、例えば、特許文献１（特開２００４−９２４８８号公報）に記載されているように、内燃機関の各気筒の膨張行程から排気行程において第１の燃料噴射を行って筒内にリーンな均質混合気を形成し、排気行程から吸気行程において第２の燃料噴射を行って点火プラグの近傍にリッチな混合気を形成して筒内の混合気を成層化することで、燃焼性を確保しながら空燃比をリーン化できるようにしたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−９２４８８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、内燃機関の燃費節減と排気エミッション低減を高い次元で両立させるには、混合気の成層化の度合を運転状態に応じて適正に制御する必要がある。しかし、上記特許文献１の技術では、混合気の成層化の度合を運転状態に応じた適正な度合に精度良く制御することが困難であり、燃費節減と排気エミッション低減を高い次元で両立させることが困難である。
【０００５】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、混合気の成層化の度合を運転状態に応じた適正な度合に精度良く制御することができ、燃費節減と排気エミッション低減を高い次元で両立させることができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の各気筒に２つの吸気ポートが設けられ、各気筒の一方の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁と他方の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁と、各気筒のスワール流を制御するスワール制御手段とを備えた内燃機関の制御装置において、内燃機関の運転状態に基づいて筒内の混合気の成層化の目標度合（以下「目標成層度合」という）を設定し、該目標成層度合に基づいてスワール制御手段の制御量を設定すると共に各気筒の一方の燃料噴射弁の噴射条件と他方の燃料噴射弁の噴射条件を個別に設定する制御手段を備えた構成としたものである。
【０００７】
この構成では、スワール制御手段によって筒内にスワール流（横方向の渦流）を発生させることができ、一方の燃料噴射弁の噴射燃料がスワール流にのって筒内を旋回するように噴射条件（例えば噴射量や噴射時期）を設定することで、一方の燃料噴射弁の噴射燃料と吸入空気との混合を促進して筒内にリーンな均質混合気を形成することができる。更に、他方の燃料噴射弁の噴射燃料がスワール流の内周側へ入り込むように噴射条件を設定することで、他方の燃料噴射弁の噴射燃料を筒内の中心側（例えば点火プラグの近傍）に集めてリッチな混合気を形成することができ、これにより、筒内の混合気を成層化して燃焼させることができる。
【０００８】
その際、スワール制御手段の制御量（例えばスワール制御弁の開度）や燃料噴射弁の噴射条件（例えば噴射量や噴射時期）によって筒内の混合気の成層化の度合（例えば均質混合気とリッチ混合気との分離度合）が変化するため、内燃機関の運転状態に基づいて目標成層度合設定し、この目標成層度合に基づいてスワール制御手段の制御量を設定すると共に各気筒の一方の燃料噴射弁の噴射条件と他方の燃料噴射弁の噴射条件を個別に設定することで、混合気の成層化の度合を運転状態に応じた適正な度合（目標成層化度合）に精度良く制御することができる。これにより、混合気の成層化による燃焼安定性を更に向上させながら空燃比をリーン化することが可能となり、燃費節減と排気エミッション低減を高い次元で両立させることができる。
【０００９】
具体的には、請求項２のように、目標成層度合が大きいほど各気筒の一方の吸気ポート内の吸気流速が他方の吸気ポート内の吸気流速よりも速くなるようにスワール制御手段の制御量を設定すると良い。各気筒の一方の吸気ポート内の吸気流速が他方の吸気ポート内の吸気流速よりも速くなるほどスワール流の強度が大きくなるため、目標成層度合が大きいほど各気筒の一方の吸気ポート内の吸気流速が他方の吸気ポート内の吸気流速よりも速くなるようにスワール制御手段の制御量を設定すれば、目標成層度合が大きいほどスワール流の強度を大きくして混合気の成層化の度合を大きくすることができる。
【００１０】
この場合、吸気流速が速い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射燃料がスワール流にのって筒内を旋回することで均質混合気が形成され、吸気流速が遅い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射燃料がスワール流の内周側へ入り込むことで筒内の中心側にリッチ混合気が形成される。
【００１１】
そこで、請求項３のように、目標成層度合が大きいほど各気筒の吸気流速が速い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射量（つまり均質混合気の形成に寄与する燃料噴射弁の噴射量）を少なくして吸気流速が遅い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射量（つまりリッチ混合気の形成に寄与する燃料噴射弁の噴射量）を多くするようにしても良い。このようにすれば、目標成層度合が大きいほど均質混合気をリーン化すると共にリッチ混合気をリッチ化して、混合気の成層化の度合を大きくすることができる。
【００１２】
更に、請求項４のように、各気筒の吸気流速が速い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射時期を排気行程から吸気行程前期までの期間内に設定して吸気流速が遅い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射時期を吸気行程後期に設定すると良い。吸気流速が速い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射時期を排気行程から吸気行程前期までの期間内に設定すれば、スワール流の強度が増加する時期（又は増加する直前の時期）に燃料を噴射することができるため、確実に噴射燃料がスワール流にのって筒内を旋回するようにできて、均質混合気を形成することができる。また、吸気流速が遅い方の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁の噴射時期を吸気行程後期に設定すれば、スワール流の強度が減少する時期に燃料を噴射することができるため、確実に噴射燃料がスワール流の内周側へ入り込むようできて、筒内の中心側にリッチ混合気を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】図２は１つの気筒に配置した２つの燃料噴射弁及びその周辺部の概略構成図である。
【図３】図３は燃料噴射制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図４はスワール制御弁Ａの開度のマップの一例を概念的に示す図である。
【図５】図５は燃料噴射弁Ａの噴射量のマップの一例を概念的に示す図である。
【図６】図６は燃料噴射弁Ｂの噴射量のマップの一例を概念的に示す図である。
【図７】図７は燃料噴射弁Ａの噴射時期と燃料噴射弁Ｂの噴射時期を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。
【００１５】
更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０に接続された吸気ポート３１又はその近傍に、それぞれ吸気ポート３１に燃料を噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。
【００１６】
図２に示すように、エンジン１１の各気筒には、それぞれ２つの吸気ポート３１と２つの排気ポート３２が設けられ、各気筒の２つの吸気ポート３１又はその近傍に、それぞれ燃料噴射弁２１が配置されている。各吸気ポート３１は、それぞれ吸気バルブ３３によって開閉され、各排気ポート３２は、それぞれ排気バルブ３４によって開閉される。また、各気筒の２つの吸気ポート３１のうちの燃料噴射弁２１の上流側には、それぞれスワール流を制御するスワール制御弁３５（スワール制御手段）が配置され、各スワール制御弁３５は、図示しないモータ等によって開度が調節される。
【００１７】
以下、説明の便宜上、各気筒の２つの吸気ポート３１のうちの一方の吸気ポートを「吸気ポートＡ」と表記し、他方の吸気ポートを「吸気ポートＢ」と表記することがある。また、各気筒の２つの燃料噴射弁２１のうちの吸気ポートＡ側に配置された燃料噴射弁を「燃料噴射弁Ａ」と表記し、吸気ポートＢ側に配置された燃料噴射弁を「燃料噴射弁Ｂ」と表記することがある。更に、各気筒の２つのスワール制御弁３５のうちの吸気ポートＡ側に配置されたスワール制御弁を「スワール制御弁Ａ」と表記し、吸気ポートＢ側に配置されたスワール制御弁を「スワール制御弁Ｂ」と表記することがある。
【００１８】
一方、図１に示すように、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２４（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられ、この排出ガスセンサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。
【００１９】
また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、ノッキングを検出するノックセンサ２７が取り付けられている。また、クランク軸２８の外周側には、クランク軸２８が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２９が取り付けられ、このクランク角センサ２９の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。
【００２０】
これら各種センサの出力は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。
【００２１】
本実施例のシステム構成では、スワール制御弁３５によって筒内にスワール流（横方向の渦流）を発生させることができ、一方の燃料噴射弁２１の噴射燃料がスワール流にのって筒内を旋回するように噴射条件（例えば噴射量や噴射時期）を設定することで、一方の燃料噴射弁２１の噴射燃料と吸入空気との混合を促進して筒内にリーンな均質混合気を形成することができる。更に、他方の燃料噴射弁２１の噴射燃料がスワール流の内周側へ入り込むように噴射条件を設定することで、他方の燃料噴射弁２１の噴射燃料を筒内の中心側（例えば点火プラグ２２の近傍）に集めてリッチな混合気を形成することができ、これにより、筒内の混合気を成層化して燃焼させることができる。
【００２２】
その際、スワール制御弁３５の開度や燃料噴射弁２１の噴射条件（例えば噴射量や噴射時期）によって筒内の混合気の成層化の度合（例えば均質混合気とリッチ混合気との分離度合）が変化するため、本実施例では、ＥＣＵ３０により後述する図３の燃料噴射制御ルーチンを実行することで、エンジン運転状態に基づいて筒内の混合気の成層化の目標度合（以下「目標成層度合」という）を設定し、この目標成層度合に基づいて各気筒の２つのスワール制御弁３５（スワール制御弁Ａ，Ｂ）の開度を個別に設定すると共に各気筒の２つの燃料噴射弁２１（燃料噴射弁Ａ，Ｂ）の噴射条件を個別に設定することで、混合気の成層化の度合をエンジン運転状態に応じた適正な度合（目標成層化度合）に精度良く制御する。
【００２３】
以下、ＥＣＵ３０が実行する図３の燃料噴射制御ルーチンの処理内容を説明する。
図３に示す燃料噴射制御ルーチンは、成層燃焼モード中（混合気を成層化して燃焼させるモード中）に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいう制御手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、エンジン運転状態として、冷却水温センサ２６で検出した冷却水温、クランク角センサ２９で検出したエンジン回転速度、エアフローメータ１４で検出した吸入空気量等を読み込む。
【００２４】
この後、ステップ１０２に進み、エンジン運転状態（冷却水温、エンジン回転速度、吸入空気量等）に基づいて目標成層度合を次のようにして設定する。
【００２５】
(1) 触媒早期暖機制御中の場合（例えば冷却水温が所定温度以下の場合）には、冷却水温に応じて目標成層度合をマップ又は数式等により設定する。この場合、目標成層度合のマップ又は数式等は、例えば、冷却水温が所定温度（例えば４０℃）以下の領域で冷却水温が低くなるほど目標成層度合が大きくなるように設定されている。
【００２６】
(2) リーン燃焼領域の場合（例えばエンジン負荷が低中負荷領域の場合）には、エンジン回転速度に応じて目標成層度合をマップ又は数式等により設定する。この場合、目標成層度合のマップ又は数式等は、例えば、エンジン回転速度が低くなるほど目標成層度合が大きくなるように設定されている。
【００２７】
(3) 外部ＥＧＲ増量領域（排気側から吸気側に還流する排出ガスを増量する領域）又は内部ＥＧＲ増量領域（筒内に残留する燃焼ガスを増量する領域）の場合には、エンジン回転速度に応じて目標成層度合をマップ又は数式等により設定する。この場合、目標成層度合のマップ又は数式等は、例えば、エンジン回転速度が低くなるほど目標成層度合が大きくなるように設定されている。
【００２８】
この後、ステップ１０３に進み、目標成層度合に応じてスワール制御弁Ａの開度をマップ（図４参照）又は数式等により設定すると共に、スワール制御弁Ｂの開度を全閉に設定する。ここで、スワール制御弁Ａの開度のマップ（図４参照）又は数式等は、目標成層度合が大きくなるほどスワール制御弁Ａの開度が小さくなって吸気ポートＡ内の吸気流速が吸気ポートＢ内の吸気流速よりも速くなるように設定されている。これにより、目標成層度合が大きいほど各気筒の一方の吸気ポートＡ内の吸気流速が他方の吸気ポートＢ内の吸気流速よりも速くなるようにスワール制御弁Ａ，Ｂの開度を設定する。
【００２９】
各気筒の一方の吸気ポートＡ内の吸気流速が他方の吸気ポートＢ内の吸気流速よりも速くなるほどスワール流の強度が大きくなるため、目標成層度合が大きいほど各気筒の一方の吸気ポートＡ内の吸気流速が他方の吸気ポートＢ内の吸気流速よりも速くなるようにスワール制御弁Ａ，Ｂの開度を設定すれば、目標成層度合が大きいほどスワール流の強度を大きくして混合気の成層化の度合を大きくすることができる。
【００３０】
この場合、吸気流速が速い方の吸気ポートＡ側に配置された燃料噴射弁Ａの噴射燃料がスワール流にのって筒内を旋回することで均質混合気が形成され、吸気流速が遅い方の吸気ポートＢ側に配置された燃料噴射弁Ｂの噴射燃料がスワール流の内周側へ入り込むことで筒内の中心側にリッチ混合気が形成される。
【００３１】
この後、ステップ１０４に進み、目標成層度合に応じて燃料噴射弁Ａの噴射量をマップ（図５参照）又は数式等により設定すると共に、目標成層度合に応じて燃料噴射弁Ｂの噴射量をマップ（図６参照）又は数式等により設定する。ここで、燃料噴射弁Ａの噴射量のマップ（図５参照）又は数式等は、目標成層度合が大きくなるほど燃料噴射弁Ａの噴射量が少なくなるように設定されている。また、燃料噴射弁Ｂの噴射量のマップ（図６参照）又は数式等は、目標成層度合が大きくなるほど燃料噴射弁Ｂの噴射量が多くなるように設定されている。
【００３２】
これにより、目標成層度合が大きいほど、吸気流速が速い方の吸気ポートＡ側に配置された燃料噴射弁Ａの噴射量（つまり均質混合気の形成に寄与する燃料噴射弁Ａの噴射量）を少なくして、吸気流速が遅い方の吸気ポートＢ側に配置された燃料噴射弁Ｂの噴射量（つまりリッチ混合気の形成に寄与する燃料噴射弁Ｂの噴射量）を多くする。このようにすれば、目標成層度合が大きいほど均質混合気をリーン化すると共にリッチ混合気をリッチ化して、混合気の成層化の度合を大きくすることができる。
【００３３】
この後、ステップ１０５に進み、図７に示すように、吸気流速が速い方の吸気ポートＡ側に配置された燃料噴射弁Ａの噴射時期を排気行程から吸気行程前期までの期間内（例えば吸気行程前期）に設定して、吸気流速が遅い方の吸気ポートＢ側に配置された燃料噴射弁Ｂの噴射時期を吸気行程後期に設定する。
【００３４】
吸気流速が速い方の吸気ポートＡ側に配置された燃料噴射弁Ａの噴射時期を排気行程から吸気行程前期までの期間内に設定すれば、スワール流の強度が増加する時期（又は増加する直前の時期）に燃料を噴射することができるため、確実に噴射燃料がスワール流にのって筒内を旋回するようにできて、均質混合気を形成することができる。また、吸気流速が遅い方の吸気ポートＢ側に配置された燃料噴射弁Ｂの噴射時期を吸気行程後期に設定すれば、スワール流の強度が減少する時期に燃料を噴射することができるため、確実に噴射燃料がスワール流の内周側へ入り込むようできて、筒内の中心側にリッチ混合気を形成することができる。
【００３５】
尚、目標成層度合に応じて燃料噴射弁Ｂの噴射時期を変化させるようにしても良く、この場合、例えば、目標成層度合が大きいほど燃料噴射弁Ｂの噴射時期を吸気行程後期の期間内で遅くする。
【００３６】
以上説明した本実施例では、エンジン運転状態に基づいて目標成層度合を設定し、この目標成層度合に基づいて各気筒の２つのスワール制御弁３５（スワール制御弁Ａ，Ｂ）の開度を個別に設定すると共に各気筒の２つの燃料噴射弁２１（燃料噴射弁Ａ，Ｂ）の噴射条件を個別に設定するようにしたので、混合気の成層化の度合をエンジン運転状態に応じた適正な度合（目標成層化度合）に精度良く制御することができる。これにより、混合気の成層化による燃焼安定性を更に向上させながら空燃比をリーン化することが可能となり、燃費節減と排気エミッション低減を高い次元で両立させることができる。
【００３７】
例えば、触媒早期暖機制御中（点火時期遅角制御中）に混合気の成層化によって燃焼安定性を向上させることで、点火時期遅角量を増加させて触媒２５が活性温度に暖機されるまでの時間を短縮することが可能となり、その結果、触媒２５の排出ガス浄化率を速やかに高めて排気エミッションを低減することができる。また、混合気の成層化によって燃焼安定性を向上させることで、空燃比を更にリーン化することが可能となり、その結果、エンジン１１のポンプ損失や熱損失を低減して燃費を向上させることができる。
【００３８】
尚、上記実施例では、各気筒の２つの吸気ポート３１に、それぞれスワール制御弁３５を設けた構成としたが、これに限定されず、例えば、各気筒の２つの吸気ポート３１のうちの一方のみにスワール制御弁３５を設けた構成としても良い。
【００３９】
また、スワール制御弁３５を省略して、各気筒の２つの吸気バルブ３３のリフト量を個別に制御してスワール流を制御する構成としても良く、この場合、吸気バルブ３３がスワール制御手段としての役割を果たす。
【符号の説明】
【００４０】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１４…エアフローメータ、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管、２６…冷却水温センサ、２９…クランク角センサ、３０…ＥＣＵ（制御手段）、３１…吸気ポート、３２…排気ポート、３５…スワール制御弁（スワール制御手段）
【図１】
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【図２】
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【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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