(57)【要約】【課題】第１燃料量の燃料噴射によりＨＣＣＩ燃焼のための予混合領域を形成し、第２燃料量の燃料噴射により予混合領域内に成層領域を形成して、点火を行う内燃機関の制御装置にて、内燃機関の負荷が大きい場合でもＮＯｘの発生量を抑制し得る制御装置の提供。【解決手段】一般に、予混合領域と成層領域との境界領域にて、ＮＯｘが発生し易い空燃比をもつ混合気が形成される。負荷（要求燃料噴射量Fi）が大きいほど、筒内温度が高くなり境界領域からのＮＯｘ発生量が大きくなる。この装置は、要求燃料噴射量Fiが所定量より大きい場合、第１燃料量をゼロに、第２燃料量を要求燃料噴射量Fiに設定する。また、第１成層領域（体積Ｖ１）に代えて、空燃比がリッチな第２成層領域（体積Ｖ２＞Ｖ１）を形成する。ここで、混合気の位置が点火プラグから離れているほど、混合気の燃焼温度が低くなる。従って、負荷が増大する場合でも、境界領域の温度上昇が抑制され得る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内にて燃料を直接噴射する筒内噴射弁、又は、前記筒内噴射弁及び内燃機関の吸気通路に燃料を噴射するポート噴射弁と、
点火プラグと、
を備えた内燃機関に適用され、
前記内燃機関の運転状態に基づいて要求燃料噴射量を決定する要求燃料噴射量決定手段と、
第１燃料噴射時期にて、前記筒内噴射弁、又は前記ポート噴射弁から前記決定された要求燃料噴射量の半分よりも大きい第１燃料量の燃料を噴射して、混合気の予混合領域を形成し、
前記第１燃料噴射時期よりも後の第２燃料噴射時期にて、前記筒内噴射弁から前記要求燃料噴射量から前記第１燃料量を除いた残りの量である第２燃料量の燃料を噴射して、前記予混合領域内であって前記点火プラグの周りに混合気の第１成層領域を形成する噴射形態制御手段と、
前記第２燃料噴射時期よりも後にて、前記点火プラグにて点火を行う点火制御手段と、
を備えた内燃機関の制御装置において、
前記噴射形態制御手段は、
前記要求燃料噴射量に基づく前記内燃機関の負荷を表す値が第１所定値よりも大きい場合、前記第１燃料量をゼロに、前記第２燃料量を前記要求燃料噴射量と等しい量に設定して、前記燃焼室内に吸入されたガス中に、前記第１成層領域よりも体積が大きい混合気の第２成層領域であって前記第２燃料量に対する前記第２成層領域中に含まれる空気量の割合が理論空燃比よりもリッチな第２成層領域を形成するように構成された内燃機関の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
前記噴射形態制御手段は、
前記負荷を表す値が前記第１所定値以上の第２所定値よりも大きい場合、前記第１燃料量をゼロでない所定量に、前記第２燃料量を前記要求燃料噴射量よりも前記所定量だけ小さい量に設定して、前記予混合領域内に前記第２成層領域を形成するように構成された内燃機関の制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
前記噴射形態制御手段は、
前記負荷を表す値が前記第２所定値よりも大きい場合、前記負荷を表す値と前記第２所定値との相違の程度が大きいほど前記所定量が大きくなるように、前記第１及び第２燃料量を設定するよう構成された内燃機関の制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関は、
前記燃焼室内に不活性ガスを噴射する不活性ガス噴射弁を備え、
前記負荷を表す値が前記第１所定値よりも大きい場合、前記第２成層領域内の混合気の燃焼中にて、前記不活性ガス噴射弁から前記不活性ガスを噴射する不活性ガス噴射制御手段を備えた内燃機関の制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の内燃機関の制御装置において、
前記不活性ガス噴射制御手段は、
前記内燃機関の運転状態と、燃料の燃焼開始時期からの燃料の燃焼による熱発生率の積算値が前記燃焼開始時期から燃料の燃焼終了時期までの熱発生率の積算値の９０％に達する時期と、の関係を規定するデータを記憶するデータ記憶手段を備え、
前記内燃機関の運転状態と、前記データとに基づいて得られる前記熱発生率の積算値の９０％に達する時期にて、前記不活性ガスを噴射するように構成された内燃機関の制御装置。
【請求項６】
内燃機関の燃焼室内にて燃料を直接噴射する筒内噴射弁、又は、前記筒内噴射弁及び内燃機関の吸気通路に燃料を噴射するポート噴射弁と、
点火プラグと、
を備えた内燃機関に適用され、
前記内燃機関の運転状態に基づいて要求燃料噴射量を決定する要求燃料噴射量決定手段と、
第１燃料噴射時期にて、前記筒内噴射弁、又は前記ポート噴射弁から前記決定された要求燃料噴射量の半分よりも大きい第１燃料量の燃料を噴射して、混合気の予混合領域を形成し、
前記第１燃料噴射時期よりも後の第２燃料噴射時期にて、前記筒内噴射弁から前記要求燃料噴射量から前記第１燃料量を除いた残りの量である第２燃料量の燃料を噴射して、前記予混合領域内であって前記点火プラグの周りに混合気の成層領域を形成する噴射形態制御手段と、
前記第２燃料噴射時期よりも後にて、前記点火プラグにて点火を行う点火制御手段と、
を備え、
前記筒内噴射弁は、
前記予混合領域と、前記成層領域との境界領域に向けて燃料を噴射するように配置されている内燃機関の制御装置において、
前記噴射形態制御手段は、
前記要求燃料噴射量に基づく前記内燃機関の負荷を表す値が第１所定値よりも大きい場合、前記点火を行う時期よりも前の第３燃料噴射時期にて、前記第２燃料量の一部である第３燃料量の燃料を噴射して、前記成層領域と体積が等しい混合気の成層領域を形成し、前記第３燃料噴射時期よりも後であって前記点火を行う時期よりも前の第４燃料噴射時期にて、前記第２燃料量から前記第３燃料量を除いた残りの量である第４燃料量の燃料を噴射するように構成された内燃機関の制御装置。
【請求項７】
請求項６に記載の内燃機関の制御装置において、
前記噴射形態制御手段は、
前記負荷を表す値が前記第１所定値以上の第２所定値よりも大きい場合、前記負荷を表す値と前記第２所定値との相違の程度が大きいほど前記第３燃料量が大きくなるように、前記第３及び第４燃料量を設定するよう構成された内燃機関の制御装置。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の内燃機関の制御装置において、
前記噴射形態制御手段は、
前記第３燃料量が大きいほど、前記第３燃料噴射時期と前記第４燃料噴射時期との間隔が大きくなるように、前記第３及び第４燃料噴射時期を設定するよう構成された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】
近年、内燃機関におけるＮＯｘの発生量を低減する等のために、以下のような燃焼形態が提案されてきている。圧縮上死点近傍よりも早期に燃料が噴射され、燃焼室内に燃料濃度が略均一な混合気の予混合領域が形成される。この混合気が圧縮上死点近傍にて自着火させられる。以下、この燃焼形態を、「ＨＣＣＩ（homogeneous charge compression ignition）燃焼」と称呼する。
【０００３】
係るＨＣＣＩ燃焼においては、筒内温度の変動等に起因して、混合気の自着火時期がサイクル毎に変動する場合がある。これに対処するため、下記特許文献１に記載の制御装置は、点火プラグを用いて混合気の自着火をアシストするようになっている。これにより、上記自着火時期の変動の程度が抑制され得る。
【特許文献１】特開２００４−２８５９２５号公報
【０００４】
ところで、ＨＣＣＩ燃焼を実行する内燃機関では、一般に、吸入新気量が一定となるような状態のもとで、アクセル操作量等に基づいて要求燃料噴射量が決定される場合が多い。この場合、要求燃料噴射量が小さいほど内燃機関の負荷がより小さくなる。また、噴射される燃料量（即ち、要求燃料噴射量）が小さいほど、予混合領域における平均空燃比（予混合領域中に含まれる燃料量（この場合、要求燃料噴射量）に対する筒内に吸入された新気量の割合）のリーン度合いがより大きくなる。
【０００５】
従って、内燃機関の負荷が小さい場合、予混合領域における平均空燃比のリーン度合いが大きいため、同平均空燃比が可燃範囲から逸脱し易い。以上のことから、上記ＨＣＣＩ燃焼を実行する内燃機関において、内燃機関の負荷が小さい場合、上述のように点火プラグによるアシストがなされても、失火が発生し易い。
【０００６】
ＨＣＣＩ燃焼を実行する内燃機関においては、上述した理由による失火を回避する観点から、例えば、上記予混合領域内であって点火プラグの周りに可燃混合気の成層領域を形成する燃料噴射制御が考えられる。ここで、上記「成層領域」は、燃料濃度が略均一な混合気の領域であって、同領域内における平均空燃比（同領域中に含まれる燃料量に対する同領域中に含まれる新気量の割合）が、同領域外におけるものと異なる領域を意味する。
【０００７】
図１１は、内燃機関の燃焼室内にて予混合領域、及び成層領域が形成される様子を示した図である。以下、図１１を参照しながら、上記燃料噴射制御、及び点火制御の一例について説明する。図１１（Ａ）に示したように、この内燃機関の燃焼室は、ピストン、シリンダ内壁面等により区画されている。内燃機関には、燃焼室内に直接燃料（この例ではガソリン）が噴射されるように、筒内噴射弁が配置されている。また、燃焼室の天井には、点火プラグが配置されている。
【０００８】
先ず、所定の燃料噴射時期にて、図示しないポート噴射弁から吸気通路へ燃料が噴射される。吸気行程にて上記噴射された燃料を含むガスが燃焼室内に吸入される。これにより、混合気の予混合領域が燃焼室内に形成される（微細なドットの部分を参照）。本例では、上記噴射される燃料の量は、上記要求燃料噴射量の半分よりも大きい量に設定される。また、想定され得る運転状態の範囲内において、予混合領域における平均空燃比が２０よりも大きくなるように、予混合領域が形成される。これは、予混合領域から発生するＮＯｘの量を抑制する観点に基づく。
【０００９】
次に、圧縮行程の所定の燃料噴射時期にて、筒内噴射弁から燃焼室内に燃料が直接噴射される。これにより、上記予混合領域内であって点火プラグの周りに、成層領域が形成される（斜線の部分を参照）。本例では、成層領域における平均空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように、成層領域の体積が小さくなるよう成層領域が形成される。これは、要求燃料噴射量が小さい場合であっても失火を回避するとともに、成層領域から発生するＮＯｘの量をも抑制する観点に基づく。
【００１０】
そして、圧縮上死点近傍にて点火プラグによる点火が行われる。以上により、内燃機関の負荷が小さい場合であっても、成層領域の混合気が燃焼するとともに、平均空燃比のリーン度合いが大きい予混合領域の混合気も燃焼し得る。従って、失火を回避することができる。
【００１１】
ところで、図１２に示したように、一般に、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側の所定の範囲内にある場合、燃焼の際に比較的大きい量のＮＯｘが発生し易い傾向がある。以下、比較的大きい量のＮＯｘが発生し易い空燃比の範囲を「ＮＯｘ発生範囲」と称呼する。例えば、燃料がガソリンである場合、上記ＮＯｘ発生範囲は１６〜２０である。また、この傾向は混合気の温度が高いほどより顕著になる。
【００１２】
燃焼室のシリンダ径方向断面図である図１１（Ｂ）に示したように、予混合領域内に成層領域が形成されると、境界領域が形成される。ここで、上記「境界領域」は、２つの領域の境界近傍において、両方の領域のガスが混ざり合う部分を意味する。また、上述したように、予混合領域における平均空燃比は２０よりも大きく、且つ、成層領域における平均空燃比が理論空燃比よりもリッチである。このため、上記境界領域内には、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気が存在する。
【００１３】
一方、内燃機関の負荷が大きいほど筒内のピーク温度がより高くなる。筒内のピーク温度が高いほど境界領域の温度がより高くなる。従って、内燃機関の負荷が大きい場合、上記境界領域から大きい量のＮＯｘが発生する。
【００１４】
このように、予混合領域内に成層領域を形成することで、境界領域内にて上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもつ混合気が存在すると、内燃機関の負荷が大きい場合、境界領域から発生するＮＯｘの量が大きくなるという問題があった。
【発明の開示】
【００１５】
従って、本発明の目的は、予混合領域を形成して、予混合領域内であって点火プラグの周りに成層領域を形成するように燃料の噴射形態を制御し、点火プラグの点火制御を行う内燃機関の制御装置において、内燃機関の負荷が大きい場合であっても、内燃機関におけるＮＯｘの発生量を抑制することができるものを提供することにある。
【００１６】
本発明に係る第１の制御装置は、筒内噴射弁、又は、筒内噴射弁及びポート噴射弁と、点火プラグとを備えた内燃機関に適用される。
【００１７】
本発明に係る第１の制御装置は、前記内燃機関の運転状態に基づいて要求燃料噴射量を決定する要求燃料噴射量決定手段と、第１燃料噴射時期にて前記筒内噴射弁又は前記ポート噴射弁から前記決定された要求燃料噴射量の半分よりも大きい第１燃料量の燃料を噴射して混合気の予混合領域を形成し、前記第１燃料噴射時期よりも後の第２燃料噴射時期にて前記筒内噴射弁から前記要求燃料噴射量から前記第１燃料量を除いた残りの量である第２燃料量の燃料を噴射して前記予混合領域内であって前記点火プラグの周りに混合気の第１成層領域を形成する噴射形態制御手段と、前記第２燃料噴射時期よりも後にて前記点火プラグにて点火を行う点火制御手段とを備えている。
【００１８】
本発明に係る第１の制御装置の特徴は、前記噴射形態制御手段が、前記要求燃料噴射量に基づく前記内燃機関の負荷を表す値が第１所定値よりも大きい場合、前記第１燃料量をゼロに、前記第２燃料量を前記要求燃料噴射量と等しい量に設定して、（前記予混合領域内に前記第１成層領域を形成するのに代えて）前記燃焼室内に吸入されたガス中に、前記第１成層領域よりも体積が大きい混合気の第２成層領域であって前記第２燃料量に対する前記第２成層領域中に含まれる空気量の割合が理論空燃比よりもリッチな第２成層領域を形成するように構成されたことにある。
【００１９】
上記「内燃機関の負荷を表す値」は、例えば、前記要求燃料噴射量の燃料の燃焼により発生する前記内燃機関の駆動トルク、前記要求燃料噴射量そのもの等であり、これらに限定されない。
【００２０】
これにより、前記内燃機関の負荷を表す値が第１所定値よりも大きい場合、前記燃焼室内に吸入された（燃料を含まない）ガスと第２成層領域との境界領域内に、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気が存在するようになる。また、予混合領域と第１成層領域との境界領域に比して、燃焼室内に吸入されたガスと第２成層領域との境界領域の、点火プラグからの乖離の程度が大きくなる。
【００２１】
ここで、燃焼室内において、混合気の位置が点火プラグから離れているほど、混合気の燃焼温度がより低くなる傾向がある。従って、内燃機関の負荷が一定の場合において、境界領域の点火プラグからの乖離の程度が大きいほど、境界領域での燃焼温度がより低くなる。従って、上記構成によれば、内燃機関の負荷を表す値が増大しても、境界領域の温度上昇が抑制され得る。この結果、内燃機関の負荷が大きい場合であっても、境界領域からのＮＯｘの発生量が抑制され得る。
【００２２】
また、第２燃料量に対する第２成層領域中に含まれる空気の割合は、理論空燃比よりもリッチである。従って、第２成層領域から発生するＮＯｘの量は極僅かとなり得る。以上のことから、内燃機関の負荷が大きい場合であっても、内燃機関におけるＮＯｘの発生量が抑制され得る。
【００２３】
上記本発明に係る第１の制御装置においては、前記噴射形態制御手段が、前記負荷を表す値が前記第１所定値以上の第２所定値よりも大きい場合、（前記第１燃料量をゼロに設定するのに代えて）前記第１燃料量をゼロでない所定量に、（前記第２燃料量を要求燃料噴射量と等しい量に設定するのに代えて）前記第２燃料量を前記要求燃料噴射量よりも前記所定量だけ小さい量に設定して、（前記燃焼室内に吸入されたガス中に前記第２成層領域を形成するのに代えて）前記予混合領域内に前記第２成層領域を形成するように構成されることが好適である。
【００２４】
第２燃料量が大きいほど第２成層領域における平均空燃比のリッチ度合いがより大きくなる。この平均空燃比のリッチ度合いが大きいほど、第２成層領域からの未燃ＨＣ，ＣＯの発生量がより大きくなる。即ち、第２燃料量が大きいほど、第２成層領域からの未燃ＨＣ，ＣＯの発生量がより大きくなる傾向がある。
【００２５】
上記構成によれば、前記内燃機関の負荷が大きい場合であっても、第２燃料量が小さい量に設定され得、第２成層領域からの未燃ＨＣ，ＣＯの発生量が抑制され得る。この結果、内燃機関の負荷の増大に伴う内燃機関の燃費の低下を抑制することができる。
【００２６】
この場合、前記噴射形態制御手段が、前記負荷を表す値が前記第２所定値よりも大きい場合、前記負荷を表す値と前記第２所定値との相違の程度が大きいほど前記所定量が大きくなるように、前記第１及び第２燃料量を設定するよう構成されると更に好適である。これによれば、第２成層領域からの未燃ＨＣ，ＣＯの発生量をより確実に抑制することができる。
【００２７】
また、上記本発明に係る第１の制御装置においては、前記内燃機関が、前記燃焼室内に不活性ガスを噴射する不活性ガス噴射弁を備え、第１の制御装置が、前記負荷を表す値が前記第１所定値よりも大きい場合、前記第２成層領域内の混合気の燃焼中にて、前記不活性ガス噴射弁から前記不活性ガスを噴射する不活性ガス噴射制御手段を備えると好適である。
【００２８】
内燃機関における未燃ＨＣ，ＣＯの排出量を抑制するためには、前記第２成層領域内の混合気の燃焼中に発生する未燃ＨＣ，ＣＯを酸化させることも考えられる。このためには、例えば、上記発生する未燃ＨＣ，ＣＯと、第２成層領域以外の燃焼室内に存在する酸素とが混合されればよい。
【００２９】
上記構成は係る知見に基づく。これによれば、噴射された不活性ガスが、上記発生する未燃ＨＣ，ＣＯ及び上記酸素の一方を巻き込んで、他方に向かって流動し得る。従って、上記発生する未燃ＨＣ，ＣＯ及び上記酸素の混合が促進され得る。この結果、内燃機関の負荷が大きい場合であっても、内燃機関における未燃ＨＣ，ＣＯの排出量が抑制され得る。なお、前記不活性ガスそのものが反応して燃焼に及ぼす影響は極僅かである。
【００３０】
この場合、前記不活性ガス噴射制御手段が、前記内燃機関の運転状態と、燃料の燃焼開始時期からの燃料の燃焼による熱発生率の積算値が前記燃焼開始時期から燃料の燃焼終了時期までの熱発生率の積算値の９０％に達する時期と、の関係を規定するデータを記憶するデータ記憶手段を備え、前記内燃機関の運転状態と、前記データとに基づいて得られる前記熱発生率の積算値の９０％に達する時期にて、前記不活性ガスを噴射するように構成されると更に好適である。
【００３１】
本発明者は、種々の実験等により、燃料の燃焼開始時期からの燃料の燃焼による熱発生率の積算値が前記燃焼開始時期から燃料の燃焼終了時期までの熱発生率の積算値の９０％に達する時期よりも、不活性ガスの噴射時期が進角側であるほどＮＯｘの発生が顕著となり、同熱発生率の積算値の９０％に達する時期よりも不活性ガスの噴射時期が遅角側であるほど未燃ＨＣ，ＣＯの発生が顕著となる傾向があることを見出した。
【００３２】
従って、ＮＯｘの発生量、及び未燃ＨＣ，ＣＯの排出量の両方を抑制する観点から、上記熱発生率の積算値の９０％に達する時期にて不活性ガスを噴射するのが好適である。上記構成は係る知見に基づく。これによれば、ＮＯｘの発生量が抑制されつつ、未燃ＨＣ，ＣＯの排出量も抑制され得る。
【００３３】
本発明に係る第２の制御装置は、筒内噴射弁、又は、筒内噴射弁及びポート噴射弁と、点火プラグとを備えた内燃機関に適用される。
【００３４】
本発明に係る第２の制御装置は、前記要求燃料噴射量を決定する要求燃料噴射量決定手段と、第１燃料噴射時期にて前記筒内噴射弁又は前記ポート噴射弁から前記第１燃料量の燃料を噴射して混合気の予混合領域を形成し、前記第２燃料噴射時期にて前記筒内噴射弁から前記第２燃料量の燃料を噴射して前記予混合領域内であって前記点火プラグの周りに混合気の成層領域を形成する噴射形態制御手段と、前記第２燃料噴射時期よりも後にて前記点火プラグにて点火を行う点火制御手段とを備えている。
【００３５】
本発明に係る第２の制御装置が適用される内燃機関が備える前記筒内噴射弁は、前記予混合領域と、前記成層領域との境界領域に向けて燃料を噴射するように配置されている。
【００３６】
本発明に係る第２の制御装置の特徴は、前記噴射形態制御手段が、前記要求燃料噴射量に基づく前記内燃機関の負荷を表す値が第１所定値よりも大きい場合、前記点火を行う時期よりも前の第３燃料噴射時期にて、前記第２燃料量の一部である第３燃料量の燃料を噴射して、前記成層領域と体積が等しい混合気の成層領域を形成し、前記第３燃料噴射時期よりも後であって前記点火を行う時期よりも前の第４燃料噴射時期にて、前記第２燃料量から前記第３燃料量を除いた残りの量である第４燃料量の燃料を噴射するように構成されたことにある。
【００３７】
これにより、前記内燃機関の負荷を表す値が第１所定値よりも大きい場合、第３燃料量の燃料噴射により、予混合領域と成層領域との境界領域が形成される。この境界領域に向けて第４燃料量の燃料が噴射される。上記構成によれば、第３燃料量の燃料噴射により形成される境界領域内において、混合気の空燃比のリッチ度合いが大きくなり得る。従って、同境界領域内において、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気の量が小さくなり得る。この結果、上記境界領域から発生するＮＯｘの量を抑制することができる。
【００３８】
また、第４燃料量の燃料噴射によっても混合気の成層領域が形成される。即ち、同成層領域と予混合領域との境界領域が形成される。ここで、同境界領域においては、前記第４燃料噴射時期から所定期間経過後に、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気が形成される。従って、この所定期間経過前に点火時期が到来するように、前記第４燃料噴射時期が設定されることで、第４燃料量の燃料噴射により形成される境界領域から発生するＮＯｘの量を抑制することができる。以上のことから、内燃機関の負荷が大きい場合であっても、内燃機関におけるＮＯｘの発生量が抑制され得る。
【００３９】
上記本発明に係る第２の制御装置においては、前記噴射形態制御手段が、前記負荷を表す値が前記第１所定値以上の第２所定値よりも大きい場合、前記負荷を表す値と前記第２所定値との相違の程度が大きいほど前記第３燃料量が大きくなるように、前記第３及び第４燃料量を設定するよう構成されることが好適である。
【００４０】
上述のように第４燃料量の燃料噴射によっても、混合気の成層領域が形成される。この成層領域の平均空燃比のリッチ度合いは、第３燃料量の燃料噴射により形成される成層領域に比して大きくなり易い。これは、第４燃料量の燃料噴射が、第３燃料量の燃料噴射よりも後になされることに起因すると考えられる。
【００４１】
第４燃料量が大きいほど、第４燃料量の燃料噴射により形成される成層領域における平均空燃比のリッチ度合いがより大きくなる。即ち、第４燃料量が大きいほど、同成層領域からの未燃ＨＣ，ＣＯの発生量がより大きくなる傾向がある。
【００４２】
上記構成によれば、内燃機関の負荷が大きい場合であっても、第３燃料量が大きい量に設定されることで、第４燃料量が小さい量に設定され得る。従って、内燃機関の負荷が大きい場合であっても、第４燃料量の燃料噴射により形成される成層領域からの、未燃ＨＣ，ＣＯの発生量が抑制され得る。この結果、内燃機関の負荷の増大に伴う内燃機関の燃費の低下を抑制することができる。
【００４３】
また、本発明に係る第２の制御装置においては、前記噴射形態制御手段が、前記第３燃料量が大きいほど、前記第３燃料噴射時期と前記第４燃料噴射時期との間隔が大きくなるように、前記第３及び第４燃料噴射時期を設定するよう構成されることが好適である。
【００４４】
第３燃料量の燃料噴射により形成された境界領域内においては、前記第３燃料噴射時期から所定期間経過後に、上記ＮＯｘ発生範囲の空燃比をもった混合気が形成される。同境界領域にて、上記ＮＯｘ発生範囲の空燃比の混合気の量を確実に小さくする観点から、同混合気が形成されたときに第４燃料量の燃料噴射がなされると好適である。
【００４５】
ここで、第３燃料量が大きいほど、この所定期間はより長くなると考えられる。従って、上記構成によれば、前記第４燃料噴射時期を、上記ＮＯｘ発生範囲の空燃比をもった混合気が形成される時期に近づけることができる。この結果、第３燃料量の燃料噴射により形成される境界領域から発生するＮＯｘの量を、より確実に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明による内燃機関の制御装置の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００４７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の制御装置を火花点火式多気筒（４気筒）内燃機関１０の概略構成を示している。この内燃機関１０は、シリンダブロック部２０と、シリンダヘッド部３０とを備えている。
【００４８】
シリンダブロック部２０は、円筒状のシリンダ２１と、ピストン２２とを備えている。シリンダヘッド部３０と、シリンダ２１の内壁面と、ピストン２２の頂面とにより燃焼室２３が区画されている。ピストン２２の頂面の中央付近には、キャビティ（凹部）２２ａが設けられている。
【００４９】
シリンダヘッド部３０は、点火プラグ３１と、吸気通路に燃料（ガソリン）を噴射するポート噴射弁３２と、燃焼室２３内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁３３とを備えている。点火プラグ３１は、燃焼室２３の天井の中央付近に配設されている。
【００５０】
内燃機関１０の吸気系統は、吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁４１を備えている。スロットル弁４１は、図示しないスロットル弁４１のアクチュエータにより作動するようになっている。
【００５１】
また、内燃機関１０は、排気還流管５１を備えている。排気還流管５１は排気通路とスロットル弁４１よりも下流側の吸気通路とを連通している。排気還流管５１には、ＥＧＲ制御弁５２と、ＥＧＲクーラー５３とが介装されている。これらにより、排気ガスを還流させる通路（ＥＧＲ通路）が構成されている。ＥＧＲ制御弁５２は、再循環される排気ガス流量（ＥＧＲガス流量）を変更し得るようになっている。
【００５２】
点火プラグ３１、ポート噴射弁３２、筒内噴射弁３３、スロットル弁４１のアクチュエータ、及びＥＧＲ制御弁５２は、図示しない電気制御装置と電気的に接続されていて、電気制御装置の指示に応じて駆動信号が供給されるようになっている。
【００５３】
（予混合領域及び成層領域の形成のための燃料噴射形態）
次に、上述のように構成された内燃機関１０の制御装置が行う制御、及び燃焼室２３内に形成される混合気の様子について説明する。
【００５４】
図１１に対応する図２に示したように、この装置は、原則的には、第１燃料量の燃料を噴射することで、混合気の予混合領域を燃焼室２３内に形成するようになっている。また、失火を回避するために、第２燃料量の燃料を噴射することで、予混合領域内に混合気の成層領域を形成するようになっている。そして、点火プラグ３１にて点火制御をして、ＨＣＣＩ燃焼のアシストを行うようになっている。加えて、後に詳述するように、ＮＯｘ発生量を抑制するため、要求燃料噴射量Fiに応じて成層領域の体積等を変更するよう燃料の噴射形態を制御するようになっている。
【００５５】
この装置では、アクセル操作量、エンジン回転速度に基づいて要求燃料噴射量Fiが決定される。そして、決定された要求燃料噴射量Fiと、図３に示した要求燃料噴射量Fiと同要求燃料噴射量Fiに対する上記第１及び第２燃料量の割合との関係を規定するテーブルとに基づいて、上記要求燃料噴射量Fiに対する第１及び第２燃料量の割合が設定される。
【００５６】
先ず、要求燃料噴射量Fiが、第１要求燃料噴射量Fi1（第１所定値）以下である場合における制御について説明する。この場合、図２の左側に対応する制御が実行される。本例では、第１要求燃料噴射量Fi1は、発生するＮＯｘの量が適正範囲の最大量となる場合に対応する要求燃料噴射量Fiである。
【００５７】
この場合、この装置では、図３に示したテーブルに基づいて、要求燃料噴射量Fiに対する第１燃料量の割合が９０％に設定され、要求燃料噴射量Fiに対する第２燃料量の割合が１０％に設定される。これは、ＨＣＣＩ燃焼の度合いを大きくする観点に基づく。
【００５８】
図４は、要求燃料噴射量Fiと第２燃料量との関係を示すグラフである。要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1以下である場合、要求燃料噴射量Fiが増大すると、第１及び２燃料量は、９０：１０の一定の割合を維持しながら増大していくようになっている。
【００５９】
図１を参照しながら燃料の噴射形態の制御について説明する。吸気行程が開始すると、燃焼室２３内にガスが吸入されていく。このガス（以下、「筒内ガス」とも称呼する。）には、スロットル弁４１を介して吸入された新気と、排気還流管５１からＥＧＲ制御弁５２を介して吸入された（外部）ＥＧＲガスが含まれる。本例では、スロットル弁４１の開度が最大値（即ち、吸入される新気量が一定）に維持される。従って、吸入される新気量（質量）と吸入されるＥＧＲガス量（質量）の和に対するＥＧＲガス量の割合（即ち、ＥＧＲ率）は、運転状態に応じて電気制御装置により適宜制御されるＥＧＲ制御弁５２の開度に応じて変化する。
【００６０】
上記吸気行程又は同吸気行程直前の排気行程の所定の時期（第１燃料噴射時期）にて、ポート噴射弁３２から吸気通路に上記設定された第１燃料量の燃料が噴射される。上記吸気行程にて、同燃料と筒内ガスとの混合気が燃焼室２３内に吸入されて、同混合気が燃焼室２３内に広く行き渡っていく。これにより、燃料の濃度が略均一な混合気の予混合領域が形成される。この予混合領域の体積は、燃焼室２３の体積と同じとなる（図２の左側の微細なドットの部分を参照）。
【００６１】
予混合領域における平均空燃比（第１燃料量（質量）に対する筒内に吸入される新気量（質量）の割合）は、新気量が一定であるため、第１燃料量が大きいほどリッチ度合いが大きくなる。本例では、想定される運転状態の範囲内において、予混合領域における平均空燃比が２０よりも大きくなるように、予混合領域が形成される。
【００６２】
上記吸入行程を含む燃焼サイクル中の圧縮行程後半の（点火時期より前の）所定の時期（第２燃料噴射時期）にて、ピストン２２のキャビティ２２ａに向けて、筒内噴射弁３３から上記設定された第２燃料量の燃料が燃焼室２３内（即ち、予混合領域内）に噴射される。同燃料の燃料噴霧は点火プラグ３１の近傍に主として集まる。これにより、予混合領域内であって点火プラグ３１の周りに、燃料の濃度が略均一な混合気の第１成層領域が形成される（図２の左側の斜線の部分を参照）。
【００６３】
第１成層領域における平均空燃比（第２燃料量（質量）に対する第１成層領域内に含まれる新気量（質量）の割合）も、第２燃料量が大きいほどリッチ度合いが大きくなる。本例では、第１成層領域が、小さい一定の体積Ｖ１をもつように形成される。これは、第２燃料量が小さい場合であっても、第１成層領域における平均空燃比を理論空燃比よりもリッチにし得、失火を回避し得る観点に基づく。
【００６４】
その後、圧縮上死点近傍にて、点火プラグ３１による点火が行われる。上記第１及び第２燃料量の燃料噴射時期、及び点火時期は、運転状態に応じて調整される。この結果、第１成層領域の混合気が燃焼するとともに、平均空燃比のリーン度合いが大きい予混合領域の混合気も燃焼し得る。
【００６５】
（ＮＯｘの発生量を抑制するための制御）
ところで、上述したように、燃料がガソリンである場合、比較的大きい量のＮＯｘが発生し易い空燃比の範囲（以下、「ＮＯｘ発生範囲」と称呼する。）は、１６〜２０となる（図１２を参照）。また、上述したように、予混合領域における平均空燃比は２０よりも大きく、且つ、第１成層領域における平均空燃比が理論空燃比よりもリッチである。従って、予混合領域と第１成層領域との境界領域内には、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気が存在する。
【００６６】
ここで、要求燃料噴射量Fiが大きいほど、筒内のピーク温度がより高くなる。筒内のピーク温度が高いほど、境界領域の温度が高くなる。境界領域の温度が高いほど、境界領域から発生するＮＯｘの量が大きくなる。即ち、要求燃料噴射量Fiが大きい場合、上記境界領域から大きい量のＮＯｘが発生する。なお、本例では、要求燃料噴射量Fiが、内燃機関１０の負荷を表す値となり得る。
【００６７】
そこで、この装置は、要求燃料噴射量Fiが大きい場合であっても、ＮＯｘの発生量を抑制するために、以下に説明する燃料の噴射形態の制御を行う。
【００６８】
この装置では、要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きい場合、図２の右側に対応する制御が実行される。この場合、図３に示したテーブルに基づいて、要求燃料噴射量Fiに対する第１燃料量の割合がゼロに設定され、要求燃料噴射量Fiに対する第２燃料量の割合が１００％に設定される。
【００６９】
この場合、図４に示すように、第１燃料量がゼロに設定され、第２燃料量が要求燃料噴射量Fiと等しい量に設定される。この場合、要求燃料噴射量Fiが増大していくと、第２燃料量のみ増大していく。このため、ポート噴射弁３２からの燃料噴射が行われずに、吸気行程にて筒内ガスのみが燃焼室２３内に吸入される。この結果、予混合領域が形成されない。
【００７０】
また、この場合、上記設定された第２燃料量の燃料の噴射により、筒内ガス中に混合気の第２成層領域が形成される。この第２成層領域内の燃料濃度は略均一である。第２成層領域における平均空燃比（第２燃料量（質量）に対する第２成層領域内に含まれる新気量（質量）の割合）が理論空燃比よりもリッチとなるように、且つ、第２成層領域が上記体積Ｖ１よりも大きい一定の体積Ｖ２をもつように、第２成層領域が形成される。
【００７１】
このため、筒内ガスと第２成層領域との間に形成される境界領域内には、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気が存在する。また、予混合領域と第１成層領域との境界領域に比して、筒内ガスと第２成層領域との境界領域の点火プラグ３１からの乖離の程度は大きい。
【００７２】
ここで、上述したように、要求燃料噴射量Fiが一定の場合、境界領域の点火プラグ３１からの乖離の程度が大きいほど、境界領域の温度がより低くなる傾向がある。従って、要求燃料噴射量Fiが第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きくなる場合であっても、境界領域の温度上昇が抑制され得る。この結果、要求燃料噴射量Fiが第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きい場合であっても、境界領域からのＮＯｘの発生量が抑制され得る。
【００７３】
また、第２成層領域における平均空燃比は、理論空燃比よりもリッチである。従って、第２成層領域から発生するＮＯｘの量は極僅かである。以上のことから、要求燃料噴射量Fiが第１要求燃料噴射量Fiよりも大きい場合であっても、ＮＯｘの発生量が上記適正範囲を超えることを防止することができる。
【００７４】
（未燃ＨＣ，ＣＯの発生量を抑制するための制御）
ところで、上述のように、要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きい場合に第２成層領域を形成する制御においては、第２燃料量（＝要求燃料噴射量Fi）が大きいほど、第２成層領域における平均空燃比のリッチ度合いが大きくなる。即ち、要求燃料噴射量Fiが大きいほど、第２成層領域から発生する未燃ＨＣ，ＣＯの量がより大きくなる。
【００７５】
そこで、この装置は、要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きい場合において、要求燃料噴射量Fiが大きい場合であっても、未燃ＨＣ，ＣＯの発生量を抑制するために、以下に説明する燃料の噴射形態の制御を行う。
【００７６】
この装置では、要求燃料噴射量Fiが第２要求燃料噴射量Fi2（＞Fi1、第２所定値）よりも大きい場合、図３に示したテーブルに基づいて、要求燃料噴射量Fiが大きいほど、要求燃料噴射量Fiに対する第１燃料量の割合がより大きい割合に設定され、要求燃料噴射量Fiに対する第２燃料量の割合がより小さい割合に設定される。本例では、第２要求燃料噴射量Fi2は、発生する未燃ＨＣ，ＣＯの量が適正範囲の最大量となる場合に対応する要求燃料噴射量Fiである。
【００７７】
この場合、図４に示すように、第１燃料量が、要求燃料噴射量Fiから第２要求燃料噴射量Fi2を減じた量（所定量）に設定され、第２燃料量が、第２要求燃料噴射量Fi2と等しい量に設定される。即ち、要求燃料噴射量Fiが第２要求燃料噴射量Fi2から増大していくと、第１燃料量はゼロから増大していく一方、第２燃料量は上記第２要求燃料噴射量Fi2に維持されるようになっている。
【００７８】
この場合、上記設定された第１燃料量の燃料の噴射により、予混合領域が形成されて、上記設定された第２燃料量の燃料の噴射により、上記予混合領域内に第２成層領域が形成されるように燃料の噴射形態が制御される。要求燃料噴射量Fiが第２要求燃料噴射量Fi2よりも大きくなる場合であっても、第２燃料量は第２要求燃料噴射量Fi2に維持されるため、第２成層領域における平均空燃比が一定に維持される。
【００７９】
この結果、要求燃料噴射量Fiが第２要求燃料噴射量Fi2よりも大きい場合であっても、未燃ＨＣ，ＣＯの発生量が上記適正範囲を超えることを防止することができる。
【００８０】
なお、予混合領域と第２成層領域との境界領域にも、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気が存在する。この境界領域は、点火プラグ３１から大きく乖離している。従って、要求燃料噴射量Fiが上記第２要求燃料噴射量Fi2よりも大きくなる場合であっても、境界領域の温度上昇が抑制され得る。従って、この場合であっても、境界領域から発生するＮＯｘの量が抑制され得る。
【００８１】
以上、説明したように、本発明の第１実施形態によれば、予混合領域内に第１成層領域を形成するように燃料噴射し、点火プラグにて点火するよう制御する内燃機関の制御装置において、要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きい場合、筒内ガス中（又は、予混合領域内）に第２成層領域が形成されるように燃料の噴射形態が制御される。第２成層領域の体積Ｖ２が第１成層領域の体積Ｖ１よりも大きく、第２成層領域における平均空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように、第２成層領域が形成される。
【００８２】
これにより、筒内ガス（又は、予混合領域）と第２成層領域との境界領域であって、上記ＮＯｘ発生範囲の空燃比をもつ混合気が存在する境界領域が、点火プラグ３１から大きく乖離する。従って、要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きくなる場合であっても、境界領域の温度上昇を抑制することができる。この結果、境界領域内から発生するＮＯｘの量を抑制できる。また、第２成層領域における平均空燃比は理論空燃比よりもリッチであるから、第２成層領域から発生するＮＯｘは極僅かとなり得る。以上のことから、要求燃料噴射量Fiが大きい場合であっても、内燃機関１０において発生するＮＯｘの量を抑制することができる。
【００８３】
本発明は、上記第１実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記第１実施形態においては、図２（Ａ）に対応する図５（Ａ）に示したように、内燃機関１０が、燃焼室２３内に窒素（不活性ガス）を噴射する窒素噴射弁３４（不活性ガス噴射弁）を備えていてもよい。この場合、窒素噴射弁３４には、第２成層領域外に位置する噴孔であって、同噴孔からの窒素の噴射方向の延長線が境界領域を貫通するような噴孔が少なくとも１つ備えられていると好適である。
【００８４】
このように窒素噴射弁３４が備えられている構成においては、要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きい場合、第２成層領域の燃焼中にて窒素が噴射されるように制御される。具体的には、燃料の燃焼開始時期からの燃料の燃焼による熱発生率の積算値が、燃焼開始時期から燃料の燃焼終了時期までの熱発生率の積算値の９０％に達する時期にて、窒素が噴射されるように、窒素噴射弁３４に噴射指令がなされる。本例では、上記９０％に達する時期は、同時期を適合する実験結果に基づいて作製された同時期、要求燃料噴射量Fi、及び点火時期との関係を規定するテーブルに基づいて決定される。
【００８５】
これにより、図５（Ｂ）に示すように、窒素が噴射されることで、窒素が第２成層領域外の酸素を巻き込んで第２成層領域内へ向かって流動する。これにより、平均空燃比のリッチ度合いの大きい第２成層領域の燃焼の際に発生する未燃ＨＣ，ＣＯと上記酸素とが混合し得る。そして、上記未燃ＨＣ，ＣＯが酸化（燃焼）する。
【００８６】
図６は、上述のように窒素が噴射された場合における、熱発生率の変化の一例を示したタイムチャートである。窒素の噴射時期以降、上述のように未燃ＨＣ，ＣＯが燃焼することにより、熱発生率が一時的に増大する。従って、窒素が噴射されない構成（図６の破線を参照）に比して、燃費を向上させることができる。
【００８７】
なお、本変形例では、不活性ガスとしての窒素を噴射しているが、これに代えて、アルゴン等の希ガス、二酸化炭素等を噴射してもよい。
【００８８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第２実施形態の制御装置は、以下の２点においてのみ上記第１実施形態のものと異なる。
【００８９】
第１に、図２（Ａ）に対応する図７（Ａ）に示すように、第２実施形態の制御装置が適用される内燃機関の筒内噴射弁３３は、予混合領域と成層領域との境界領域に向けて燃料を噴射するように配置されている。より具体的には、筒内噴射弁３３には、噴孔からの燃料の噴射方向の延長線が境界領域を貫通するような噴孔が少なくとも１つ備えられている。
【００９０】
第２に、この装置は、要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きい場合、成層領域を形成するための第２燃料量を、第３燃料量と第４燃料量の２つに分割して、上記配置された筒内噴射弁３３から、第３及び第４燃料量の燃料を噴射するよう制御する。以下、これらの第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
【００９１】
この装置では、要求燃料噴射量Fiと、図８に示した要求燃料噴射量Fiと同要求燃料噴射量Fiに対する上記第１、第２、第３及び第４燃料量の割合との関係を規定するテーブルとに基づいて、上記要求燃料噴射量Fiに対する第１、第２、第３及び第４燃料量の割合が設定される。これは、第４燃料量の燃料噴射に基づいて発生する、未燃ＨＣ，ＣＯの量を抑制する観点に基づく。
【００９２】
先ず、要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きく、上記第２要求燃料噴射量Fi2以下である場合について説明する。この場合、図８に示したテーブルに基づいて、要求燃料噴射量Fiに対する第３燃料量の割合が９％に設定され、要求燃料噴射量Fiに対する第４燃料量の割合が１％に設定される。なお、要求燃料噴射量Fiに対する第１燃料量の割合は９０％に設定される。
【００９３】
図９は、要求燃料噴射量Fiと第２燃料量との関係を示すグラフである。この場合、要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1から増大していくと、第３及び４燃料量は、９：１の一定の割合を維持しながら増大していくようになっている。
【００９４】
図７の左側に示したように、この場合、この装置では、要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1以下における場合と同様の予混合領域が形成される。その後、圧縮行程後半の（点火時期より前の）所定の時期（第３燃料噴射時期）にて、筒内噴射弁３３から上記設定された第３燃料量の燃料が燃焼室２３内（即ち、予混合領域内）に噴射される。
【００９５】
これにより、予混合領域内であって点火プラグ３１の周りに、燃料の濃度が略均一な混合気の成層領域が形成される。この成層領域は、平均空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように、且つ、一定の体積Ｖ１をもつように形成される。このため、上記予混合領域と上記成層領域との境界領域が形成される。この境界領域には、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気が存在する。
【００９６】
そして、図７の右側に示したように、第３燃料量の燃料噴射時期よりも後であって、点火時期直前の時期（第４燃料噴射時期）にて、筒内噴射弁３３から上記設定された第４燃料量の燃料が、上記境界領域に向けて噴射される。
【００９７】
これにより、上記境界領域内において、混合気の空燃比のリッチ度合いが大きくなる。従って、同境界領域内において、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気の量が小さくなり得る。この結果、要求燃料噴射量Fiが大きい場合（即ち、境界領域の温度が高い場合）であっても、第３燃料量の燃料噴射により形成される境界領域から発生するＮＯｘの量を抑制することができる。
【００９８】
また、第４燃料量の燃料噴射によっても混合気の成層領域が形成される。即ち、同成層領域と予混合領域との境界領域が形成される。ここで、同境界領域においては、第４燃料量の燃料噴射時期から所定期間経過後に、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気が形成される。
【００９９】
本例では、点火時期直前に第４燃料量の燃料が噴射されるため、同境界領域にて上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気が形成される前に、点火が行われる。従って、第４燃料量の燃料噴射により形成される境界領域から発生するＮＯｘの量を抑制することができる。以上のことから、上記第１実施形態と同様、要求燃料噴射量Fiが第１要求燃料噴射量Fiよりも大きい場合であっても、ＮＯｘの発生量が上記適正範囲を超えることを防止することができる。
【０１００】
次に、要求燃料噴射量Fiが上記第２要求燃料噴射量Fi2よりも大きい場合について説明する。この場合、図８に示したテーブルに基づいて、要求燃料噴射量Fiが大きいほど、要求燃料噴射量Fiに対する第３燃料量の割合がより大きい割合に設定され、要求燃料噴射量Fiに対する第４燃料量の割合がより小さい割合に設定される。なお、要求燃料噴射量Fiに対する第１燃料量の割合は９０％に設定される。
【０１０１】
これは、以下の観点に基づく。第４燃料量が大きいほど、第４燃料量の噴射により形成される混合気の成層領域の平均空燃比のリッチ度合いがより大きくなって、同成層領域からの未燃ＨＣ，ＣＯの発生量がより大きくなる傾向がある。要求燃料噴射量Fiが大きい場合であっても、第４燃料量が小さい量に設定されれば、上記未燃ＨＣ，ＣＯの発生量が抑制され得る。
【０１０２】
図９に示すように、この場合、第３燃料量が、要求燃料噴射量Fiの１０％の量から、第２要求燃料噴射量Fi2の１％の量を減じた量に設定され、第４燃料量が、第２要求燃料噴射量Fi2の１％と等しい量に設定される。要求燃料噴射量Fiが第２要求燃料噴射量Fi2から増大していくと、第３燃料量は増大していく一方、第４燃料量は上記第２要求燃料噴射量Fi2の１％の量に維持されるようになっている。
【０１０３】
従って、要求燃料噴射量Fiが第２要求燃料噴射量Fi2よりも大きくなる場合であっても、第４燃料量の噴射により形成される混合気の成層領域における平均空燃比が一定に維持される。
【０１０４】
この結果、上記第１実施形態と同様、要求燃料噴射量Fiが第２要求燃料噴射量Fi2よりも大きい場合であっても、未燃ＨＣ，ＣＯの発生量が上記適正範囲を超えることを防止することができる。
【０１０５】
ここで、この装置における、上記第３及び第４燃料量の燃料の噴射時期の設定方法について付言する。第３燃料量の燃料噴射により形成された境界領域内においては、第３燃料量の燃料が噴射されてから所定期間経過後に、上記ＮＯｘ発生範囲の空燃比をもった混合気が形成される。この所定期間は、一般に、第３燃料量が大きいほどより長くなると考えられる。
【０１０６】
この境界領域において、上記ＮＯｘ発生範囲の空燃比をもつ混合気の量を確実に小さくするためには、同境界領域内に上記ＮＯｘ発生範囲の空燃比をもった混合気が形成されたときに、第４燃料量の燃料噴射がなされると好適である。従って、第３燃料量の噴射時期と第４燃料量の噴射時期との間隔は、第３燃料量が大きいほどより長くなるように、第３及び第４燃料量の噴射時期が設定されることが好適である。
【０１０７】
上記観点から、この装置では、図１０に示しめした第３燃料量の燃料噴射時期と第４燃料量の燃料噴射時期との間隔に対応するクランク角度差Θと、第３燃料量との関係を規定するテーブルに基づいて、上記クランク角度差Θが設定される。このテーブルにより、第３燃料量が大きいほど、上記クランク角度差Θがより大きい値に設定される。そして、上記設定されたクランク角度差Θに基づいて、第３及び第４燃料量の燃料噴射時期が設定されるようになっている。これにより、上記境界領域から発生するＮＯｘの量を確実に抑制することができる。
【０１０８】
以上、説明したように、本発明の第２実施形態によれば、要求燃料噴射量Fiが上記第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きい場合、先ず、第２燃料量の一部である第３燃料量が噴射されて、成層領域が、第１燃料量の燃料噴射により形成された予混合領域内に形成される。その後、第２燃料量の残りの部分である第４燃料量が、予混合領域と成層領域との境界領域に向けて噴射されるように燃料の噴射形態が制御される。
【０１０９】
これにより、第３燃料量の燃料噴射により形成される境界領域において、混合気の空燃比のリッチ度合いが大きくなり、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気の量が小さくなり得る。この結果、第３燃料量の燃料噴射により形成される境界領域から発生するＮＯｘの量を抑制することができる。また、第４燃料量の燃料噴射時期は点火時期直前である。従って、第４燃料量の燃料噴射により形成される境界領域において、上記ＮＯｘ発生範囲内の空燃比をもった混合気が形成される前に、混合気が燃焼し得る。以上のことから、要求燃料噴射量Fiが大きい場合であっても、内燃機関１０において発生するＮＯｘの量を抑制することができる。
【０１１０】
本発明は、上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記各実施形態においては、内燃機関１０がポート噴射弁３２を備え、ポート噴射弁３２が第１燃料量の燃料を噴射するようになっているが、これに代えて、内燃機関１０がポート噴射弁を備えないよう構成され、筒内噴射弁３３が第１燃料量の燃料を噴射するようにしてもよい。
【０１１１】
また、上記各実施形態においては、第２要求燃料噴射量Fi2が、第１要求燃料噴射量Fi1よりも大きい量に設定されているが、これに代えて、第２要求燃料噴射量Fi2が、第１要求燃料噴射量Fi1と等しい量に設定されてもよい。
【０１１２】
なお、上記第１実施形態においては、第２成層領域における平均空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように第２成層領域が形成されているが、これに代えて、成層領域における平均空燃比が理論空燃比より若干リーン（具体的には、１５．４〜１５．６の範囲内）となるように、成層領域を形成することも考えられる。
【０１１３】
種々の実験等により、混合気の空燃比が１５．６よりも大きくなると、混合気の燃焼により発生するＮＯｘの量が大きくなる傾向が顕著になる一方、混合気の空燃比が１５．４よりも小さくなると、混合気の燃焼により発生する未燃ＨＣ，ＣＯの量が大きくなる傾向が顕著になることが知られている。第２成層領域における平均空燃比が１５．４〜１５．６の範囲内とされれば、ＮＯｘの発生量、及び未燃ＨＣ，ＣＯの発生量を抑制することができる。上記構成は係る知見に基づく。これによれば、第２成層領域の平均空燃比が理論空燃比よりもリッチな場合に比して、燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る制御装置が適用される内燃機関の概略構成図である。
【図２】図１に示した内燃機関の燃焼室内に形成される、混合気の予混合領域及び混合気の成層領域を模式的に示した図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る制御装置が参照する、要求燃料噴射量と、要求燃料噴射量に対する第１及び第２燃料量の割合と、の関係を規定するテーブルを示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る制御装置による制御が実行された場合における、要求燃料噴射量と第２燃料量との関係を示したグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態の変形例に係る制御装置が適用される内燃機関の燃焼室内に、不活性ガスである窒素が噴射される様子を模式的に示した図である。
【図６】本発明の第１実施形態の変形例に係る制御装置による制御が実行された場合における、燃料の燃焼による熱発生率の変化の一例を示したタイムチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る制御装置が適用される内燃機関の燃焼室内に形成される、混合気の予混合領域及び混合気の成層領域を模式的に示した図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る制御装置が参照する、要求燃料噴射量と、要求燃料噴射量に対する第１、第２、第３及び第４燃料量の割合と、の関係を規定するテーブルを示した図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る制御装置による制御が実行された場合における、要求燃料噴射量と第２燃料量との関係を示したグラフである。
【図１０】第３燃料量と、第３燃料量の燃料噴射時期と第４燃料量の燃料噴射時期との間隔に対応するクランク角度差と、の関係を規定するテーブルを示した図である。
【図１１】ＨＣＣＩ燃焼を実行する内燃機関の燃焼室内に形成される、混合気の予混合領域及び混合気の成層領域の一例を模式的に示した図である。
【図１２】一般的な燃料の混合気における空燃比及び温度と、ＮＯｘ発生量との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【０１１５】
１０…内燃機関、２３…燃焼室、３１…点火プラグ、３２…ポート噴射弁、３３…筒内噴射弁、３４…窒素噴射弁
【図１】
2009074488.tif 000003
【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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【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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