特許 7537234 エンジンの制御方法及びエンジンシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-13

(45)【発行日】2024-08-21

(54)【発明の名称】エンジンの制御方法及びエンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   F02D 45/00 20060101AFI20240814BHJP

   F02D 43/00 20060101ALI20240814BHJP

【ＦＩ】

F02D45/00 360Z

F02D43/00 301B

F02D43/00 301H

F02D43/00 301J

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020187350

(22)【出願日】2020-11-10

(65)【公開番号】P2022076784

(43)【公開日】2022-05-20

【審査請求日】2023-09-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】太田 統之

(72)【発明者】

【氏名】乃生 芳尚

【審査官】櫻田 正紀

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２１５２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－３０３７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２００２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１３２１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１４５３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１９０３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２２５１８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１９６２０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／０１７５４３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０１６８６２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｄ ４５／００

Ｆ０２Ｄ ４３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダーと、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置と、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁と、を持つエンジンを、制御器を用いて制御する方法であって、
吸気行程又は圧縮行程に前記燃料噴射弁が主燃料を噴射し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射工程、
混合気が着火しない時期に、前記点火装置が、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するパラメータ検出工程、
前記制御器が、該パラメータ検出工程で検出された前記パラメータが、渦の中心がシリンダー内の中央部に位置している第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定工程、
前記判定工程で、前記パラメータが前記第１閾値から前記第２閾値までの範囲外であって、渦の中心がシリンダー内の中央部からずれていて、シリンダー内の一部の領域への火炎伝播が阻害されると判定された場合に、前記主燃料の噴射より後に、前記燃料噴射弁が、補助燃料を噴射する補助燃料噴射工程、及び、
前記補助燃料の噴射より後に、前記点火装置が、前記点火プラグを用いて、前記混合気に点火する点火工程、を有する
ことを特徴とするエンジンの制御方法。

【請求項2】

ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダーと、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置と、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁と、を持つエンジンを、制御器を用いて制御する方法であって、
吸気行程又は圧縮行程に前記燃料噴射弁が主燃料を噴射し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射工程、
混合気が着火しない時期に、前記点火装置が、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するパラメータ検出工程、
前記制御器が、該パラメータ検出工程で検出された前記パラメータが、第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定工程、
前記判定工程で、前記パラメータが前記第１閾値から前記第２閾値までの範囲外と判定された場合に、前記主燃料の噴射より後に、前記燃料噴射弁が、補助燃料を噴射する補助燃料噴射工程、及び、
前記補助燃料の噴射より後に、前記点火装置が、前記点火プラグを用いて、前記混合気に点火する点火工程、を有し、
前記燃料噴射弁は、前記補助燃料噴射工程において、前記判定工程で前記パラメータが前記第１閾値よりも小さいと判定された場合は、第１噴射時期に補助燃料を噴射し、前記第２閾値よりも大きいと判定された場合は、前記第１噴射時期よりも遅角側の第２噴射時期に補助燃料を噴射する、
ことを特徴とするエンジンの制御方法。

【請求項3】

ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダーと、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置と、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁と、を持つエンジンを、制御器を用いて制御する方法であって、
吸気行程又は圧縮行程に前記燃料噴射弁が主燃料を噴射し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射工程、
混合気が着火しない時期に、前記点火装置が、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するパラメータ検出工程、
前記制御器が、該パラメータ検出工程で検出された前記パラメータが、第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定工程、
前記判定工程で、前記パラメータが前記第１閾値から前記第２閾値までの範囲外と判定された場合に、前記主燃料の噴射より後に、前記燃料噴射弁が、補助燃料を噴射する補助燃料噴射工程、及び、
前記補助燃料の噴射より後に、前記点火装置が、前記点火プラグを用いて、前記混合気に点火する点火工程、を有し、
前記パラメータ検出工程において、前記点火装置は、前記吸気バルブが閉弁したのち、前記パラメータを検出し、
前記判定工程において、前記制御器は、前記パラメータに基づいて、前記シリンダー内の縦渦の流動状態を判定する、
ことを特徴とするエンジンの制御方法。

【請求項4】

ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダーと、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置と、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁と、を持つエンジンを、制御器を用いて制御する方法であって、
吸気行程又は圧縮行程に前記燃料噴射弁が主燃料を噴射し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射工程、
混合気が着火しない時期に、前記点火装置が、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するパラメータ検出工程、
前記制御器が、該パラメータ検出工程で検出された前記パラメータが、第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定工程、
前記判定工程で、前記パラメータが前記第１閾値から前記第２閾値までの範囲外と判定された場合に、前記主燃料の噴射より後に、前記燃料噴射弁が、補助燃料を噴射する補助燃料噴射工程、及び、
前記補助燃料の噴射より後に、前記点火装置が、前記点火プラグを用いて、前記混合気に点火する点火工程、を有し、
前記パラメータ検出工程において、前記点火装置は、吸気行程で前記パラメータを検出し、かつ圧縮行程で前記パラメータを検出する、
ことを特徴とするエンジンの制御方法。

【請求項5】

前記パラメータ検出工程において、前記点火装置は、前記吸気バルブが開弁したのち、前記吸気バルブが閉弁するまでに前記パラメータを検出し、
前記判定工程において、前記制御器は、前記パラメータに基づいて、前記シリンダー内の横渦の流動状態を判定する、
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のエンジンの制御方法。

【請求項6】

前記点火装置は、前記吸気バルブが開弁しかつ、該開弁から所定の時定数が経過したのち、前記パラメータを検出する、
ことを特徴とする請求項５に記載のエンジンの制御方法。

【請求項7】

ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダー、
該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置、及び、
前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁、
を備えたエンジンと、
前記点火装置、及び前記燃料噴射弁に電気的に接続された制御器と、を有するエンジンシステムであって、
前記制御器は、
前記燃料噴射弁が、吸気行程又は圧縮行程に、主燃料を噴射するように前記燃料噴射弁を制御し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射部と、
混合気が着火しない時期に、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するように前記点火装置を制御し、そして前記点火装置が検出したパラメータが、渦の中心がシリンダー内の中央部に位置している第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定部と、
前記判定部が、前記パラメータが前記第１閾値から第２閾値までの範囲外であって、渦の中心がシリンダー内の中央部からずれていて、シリンダー内の一部の領域への火炎伝播が阻害されると判定した場合に、前記主燃料の噴射より後に前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁を制御する補助燃料噴射部と、
前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射したのち、前記混合気に点火プラグが点火するように前記点火装置を制御する主点火制御部と、を備える、
ことを特徴とするエンジンシステム。

【請求項8】

ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダー、
該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置、及び、
前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁、
を備えたエンジンと、
前記点火装置、及び前記燃料噴射弁に電気的に接続された制御器と、を有するエンジンシステムであって、
前記制御器は、
前記燃料噴射弁が、吸気行程又は圧縮行程に、主燃料を噴射するように前記燃料噴射弁を制御し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射部と、
混合気が着火しない時期に、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するように前記点火装置を制御し、そして前記点火装置が検出したパラメータが第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定部と、
前記判定部が、前記パラメータが前記第１閾値から第２閾値までの範囲外と判定した場合に、前記主燃料の噴射より後に前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁を制御する補助燃料噴射部と、
前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射したのち、前記混合気に点火プラグが点火するように前記点火装置を制御する主点火制御部と、を備え、
前記燃料噴射弁は、前記判定部が、前記パラメータが前記第１閾値より小さいと判定した場合は、第１噴射時期に補助燃料を噴射し、前記第２閾値よりも大きいと判定した場合は、前記第１噴射時期よりも遅角側の第２噴射時期に補助燃料を噴射する、
ことを特徴とするエンジンシステム。

【請求項9】

ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダー、
該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置、及び、
前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁、
を備えたエンジンと、
前記点火装置、及び前記燃料噴射弁に電気的に接続された制御器と、を有するエンジンシステムであって、
前記制御器は、
前記燃料噴射弁が、吸気行程又は圧縮行程に、主燃料を噴射するように前記燃料噴射弁を制御し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射部と、
混合気が着火しない時期に、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するように前記点火装置を制御し、そして前記点火装置が検出したパラメータが第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定部と、
前記判定部が、前記パラメータが前記第１閾値から第２閾値までの範囲外と判定した場合に、前記主燃料の噴射より後に前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁を制御する補助燃料噴射部と、
前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射したのち、前記混合気に点火プラグが点火するように前記点火装置を制御する主点火制御部と、を備え、
前記点火装置は、前記吸気バルブが閉弁したのち、前記パラメータを検出し、
前記制御器は、前記パラメータに基づいて、前記シリンダー内の縦渦の流動状態を判定する、
ことを特徴とするエンジンシステム。

【請求項10】

ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダー、
該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置、及び、
前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁、
を備えたエンジンと、
前記点火装置、及び前記燃料噴射弁に電気的に接続された制御器と、を有するエンジンシステムであって、
前記制御器は、
前記燃料噴射弁が、吸気行程又は圧縮行程に、主燃料を噴射するように前記燃料噴射弁を制御し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射部と、
混合気が着火しない時期に、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するように前記点火装置を制御し、そして前記点火装置が検出したパラメータが第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定部と、
前記判定部が、前記パラメータが前記第１閾値から第２閾値までの範囲外と判定した場合に、前記主燃料の噴射より後に前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁を制御する補助燃料噴射部と、
前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射したのち、前記混合気に点火プラグが点火するように前記点火装置を制御する主点火制御部と、を備え、
前記点火装置は、吸気行程で前記パラメータを検出し、かつ圧縮行程で前記パラメータを検出する、
ことを特徴とするエンジンシステム。

【請求項11】

前記点火装置は、前記吸気バルブが開弁したのち、前記吸気バルブが閉弁するまでに、前記パラメータを検出し、
前記制御器は、前記パラメータに基づいて、前記シリンダー内の横渦の流動状態を判定する、
ことを特徴とする請求項７～１０のいずれか１項に記載のエンジンシステム。

【請求項12】

前記点火装置は、前記吸気バルブが開弁しかつ、所定の時定数が経過したのち、前記パラメータを検出する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のエンジンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気筒内の流動に応じたエンジンの制御に関する。

【背景技術】

【0002】

エンジンの燃費を向上させるためには、燃焼速度を高めることが有益である。点火プラグを備えるエンジンでは、点火プラグが気筒内の混合気に点火することで点火プラグ周りに火炎が生成され、この火炎が未燃混合気を反応させながら気筒内の全体に伝播することによって１サイクルの燃焼が完了する。したがって、該火炎が未燃混合気を素早く反応させ燃焼速度を高めるためには、火炎と未燃混合気との火炎接触面積が大きいほうがよく、多くの乱流を生成することが好ましい。気筒内の乱流生成を促進するために、気筒内にスワール流れを生じさせたり、タンブル流れを生じさせたりすることが、従来から行われている。

【0003】

上述の乱流は、圧縮行程中、ピストンが上死点に上昇するまでに流動がつぶれて生成されることが知られているが、吸気流動の状態は毎サイクル変わる可能性がある。そのため、従来から気筒内の流動を推定する手法が種々検討されている。

【0004】

一例として、特許文献１には、燃焼室に配設された点火プラグで複数回点火して点火プラグの放電経路の電流値を検出し、この電流値から推定できる気筒内の流動に応じて点火時期を制御する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１４－１４５３０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ここで、本願発明者らは、特許文献１に記載されたような放電経路の電流値に基づく流動に応じた燃焼の改善について、鋭意研究をした結果、吸気流動によって気筒内に形成された渦中心の位置によって、圧縮行程後半の気筒内の流動状態に差が生じ、この流動状態のばらつきが、燃焼変動の一要因となっていることを見出した。

【0007】

吸気流動は縦渦成分と横渦成分が合成されて、気筒内において斜め流動になる。渦中心の位置が平面視及び側面視で気筒中央付近に存在する場合は圧縮行程後半でも旋回流が維持される結果、乱流度合いが、気筒内の全体において均等又は略均等となる。この場合、火炎は、気筒内の中央付近から周辺部へ、均等又は略均等に伝播する。

【0008】

しかし、縦渦成分の渦中心の位置が、側面視で気筒下方側付近にずれた場合は圧縮行程後半で、渦中心がピストンの頂面に接触することにより縦渦の下半分が潰れ、気筒内の流動が、吸気バルブから排気バルブに向かう方向に流れる正一方向流動となることを、本願発明者らは見出した。気筒内の流動が正一方向流動になると、気筒内において排気バルブ側の領域の乱流度合いは強いが、吸気バルブ側の領域の乱流度合いは弱くなる。この場合、火炎は、排気バルブ側の領域へは伝播しやすい一方、吸気バルブ側の領域へは伝播しにくい。

【0009】

また、縦渦成分の渦中心の位置が、側面視で気筒上方側付近にずれた場合は圧縮行程後半で、渦中心がシリンダーの天井部に接触することにより縦渦の上半分が潰れ、気筒内の流動が、排気バルブから吸気バルブへ向かう方向に流れる反一方向流動となる。気筒内の流動が反一方向流動になると、気筒内において吸気バルブ側の領域の乱流度合いは強いが、排気バルブ側の領域の乱流度合いが弱くなる。この場合、火炎は、吸気バルブ側の領域へは伝播しやすい一方、排気バルブ側の領域へは伝播しにくい。

【0010】

一方で、横渦成分の渦中心の位置が、平面視で気筒外方側に傾いた場合は、気筒内の中心部から周辺部に向かって伝播しようとする火炎の一部が、気筒の中心に対して傾いた横渦の流れによって、その伝播を妨げられる結果、火炎が、特定の領域へは伝播しにくいことを、本願発明者らは見出した。

【0011】

気筒内の一部の領域への火炎伝播が阻害されることは、燃焼速度を低下させて、燃焼変動を生じさせる。従って、エンジンの燃焼変動を抑制するためには、気筒内の流動状態に応じて一部の領域への火炎伝播を促進する必要がある。エンジンの燃焼変動を抑制すれば、エンジンの燃費は向上する。

【0012】

そこで、本願は上述の事情に鑑み、気筒内の流動状態を推定し、この流動状態に応じて燃料噴射弁を制御することによって燃焼変動を抑制する制御方法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】

【0013】

本願発明者らは、上記課題を解決するためにさらに鋭意研究を重ねた結果、吸気行程または圧縮行程で、混合気の燃焼を開始する前に、点火プラグの電極間に発生させた放電経路の電流値を検出すれば、気筒内の渦中心の位置が推定でき、圧縮行程後半の流動の状態を推定できることを見出した。

【0014】

そこで、上記考え方を具現化する本発明は、ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダーと、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置と、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁と、を持つエンジンを、制御器を用いて制御する方法であって、吸気行程又は圧縮行程に、前記燃料噴射弁が主燃料を噴射し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射工程、混合気が着火しない時期に、前記点火装置が、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するパラメータ検出工程、前記制御器が、該パラメータ検出工程で検出された前記パラメータが、渦の中心がシリンダー内の中央部に位置している第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定工程、前記判定工程で、前記パラメータが前記第１閾値から前記第２閾値までの範囲外であって、渦の中心がシリンダー内の中央部からずれていて、シリンダー内の一部の領域への火炎伝播が阻害されると判定された場合に、前記主燃料の噴射時期より後に、前記燃料噴射弁が、補助燃料を噴射する補助燃料噴射工程、及び、前記補助燃料の噴射より後に、前記点火装置が、前記点火プラグを用いて、前記混合気に点火する点火工程、を有する。

【0015】

本願明細書では、便宜上、正一方向流動は吸気バルブから排気バルブに向かう流動を示し、反一方向流動は排気バルブから吸気バルブに向かう流動を示すが、これらの表記を逆にしてもよい。

【0016】

本願発明のエンジンは、ペントルーフ型の天井部を有するシリンダーと、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグと、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁と、を備える。天井部がペントルーフ型であることで、気筒内に導入された吸気は縦渦を形成し、吸気バルブを介してシリンダー内に導入された吸気は、横渦も形成する。気筒内の流動は、シリンダーの軸に対して傾いた斜め流動となる。

【0017】

吸気行程又は圧縮行程に、前記燃料噴射弁が燃料を噴射する主燃料噴射工程で気筒内に混合気を形成し、混合気が着火しない時期に、点火装置が、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加して、前記電極間との間に放電経路を生じさせる。パラメータ検出工程で、点火装置が、点火プラグに生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出する。尚、パラメータ検出工程は、主燃料の噴射の後でもよいし、噴射の前でもよい。

【0018】

点火プラグにエネルギを付与することによって、電極間に生じた放電経路は、点火プラグ付近の流動が強いほど伸びる。放電経路が伸長することで、電極間の抵抗が増大し、電極間に印加した電圧の降下が促進される。その結果、点火プラグに付与したエネルギが消費される時間、つまり放電時間が短くなる。点火装置が、電流値に関するパラメータとして、電流の放電時間を検出することによって点火プラグ付近の流動の強さを計測でき、その流動の強さに基づいて、気筒内における渦中心の位置が推定できることを、本願発明者らは見出した。

【0019】

より詳細には、縦渦の中心が、側面視で気筒中央付近に位置するときは、縦渦の中心が点火プラグから、ある程度離れるため、点火プラグ付近の流動の強さが中程度になる。この場合パラメータが、第１閾値から第２閾値までの範囲内に収まる。縦渦の中心が気筒上方側にずれると、縦渦の中心が点火プラグに近いため、点火プラグ付近の流動が弱くなる（つまり、流速が遅い）。この場合パラメータが、第２閾値よりも大きくなる。縦渦の中心が気筒下方側にずれると、縦渦の中心が点火プラグから遠いため、点火プラグ付近の流動が強くなる（つまり、流速が速い）。この場合パラメータが、第１閾値よりも小さくなる。制御器は、パラメータ検出工程で検出されたパラメータが、第１閾値よりも小さいか、第２閾値よりも大きいかを判断することで、気筒内の混合気を点火する前に、流動が正一方向流動か、反一方向流動か推定でき、乱流度合いの弱い領域の有無を推定できる。

【0020】

また、横渦の中心が、平面視で気筒中央付近に位置するときは、点火プラグ付近の流動の強さが中程度になって、パラメータが、第１閾値から第２閾値までの範囲内に収まる。横渦の中心が気筒中央に対して傾くと、点火プラグ付近の流動が弱くなって、パラメータが第２閾値よりも大きくなったり、点火プラグ付近の流動が強くなって、パラメータが第１閾値よりも小さくなったりする。制御器は、パラメータ検出工程で検出されたパラメータが、第１閾値よりも小さいか、第２閾値よりも大きいかを判断することで、気筒内の混合気を点火する前に、火炎が伝播しにくい領域の有無を推定できる。

【0021】

そして、前記判定工程で、パラメータが第１閾値より小さい、又は第２閾値よりも大きいと判定された場合に、燃料噴射弁は、補助燃料噴射工程で、主燃料よりも遅角側のタイミングで補助燃料を噴射する。補助燃料は、乱流度合いが弱い領域、又は、火炎が伝播しにくい領域（以下、特定領域と呼ぶ）における混合気の燃料濃度を濃くする。このことにより、圧縮行程後半に、特定領域以外の領域には通常の混合気を配置し、特定領域には相対的に濃い混合気を配置することができる。この補助燃料の噴射後に、点火装置が、前記点火プラグを用いて、混合気に点火することで、特定領域への火炎伝播が促進され、シリンダー内の全体に火炎が、均等又は略均等に伝播する。その結果、燃焼速度が速くなる。

【0022】

このように、各サイクルの気筒内の流動状態に応じて、必要な場合は、燃料噴射弁が補助燃料を噴射することにより、サイクル毎の燃焼速度が一定または略一定になって、燃焼変動が抑制できる。このエンジンは、燃費が向上する。

【0023】

本発明はまた、ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダーと、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置と、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁と、を持つエンジンを、制御器を用いて制御する方法であって、吸気行程又は圧縮行程に前記燃料噴射弁が主燃料を噴射し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射工程、混合気が着火しない時期に、前記点火装置が、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するパラメータ検出工程、前記制御器が、該パラメータ検出工程で検出された前記パラメータが、第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定工程、前記判定工程で、前記パラメータが前記第１閾値から前記第２閾値までの範囲外と判定された場合に、前記主燃料の噴射より後に、前記燃料噴射弁が、補助燃料を噴射する補助燃料噴射工程、及び、前記補助燃料の噴射より後に、前記点火装置が、前記点火プラグを用いて、前記混合気に点火する点火工程、を有し、前記燃料噴射弁は、前記補助燃料噴射工程において、前記判定工程で前記パラメータが前記第１閾値よりも小さいと判定された場合は、第１噴射時期に補助燃料を噴射し、前記第２閾値よりも大きいと判定された場合は、前記第１噴射時期よりも遅角側の第２噴射時期に補助燃料を噴射する。

【0024】

パラメータが第１閾値よりも小さいと判定された場合は、縦渦については、圧縮行程後半で吸気バルブから排気バルブに向かう正一方向流動になるため、吸気バルブ側の乱流が生成されにくい。パラメータが第１閾値よりも小さいと判定された場合は、相対的に進角側のタイミングで、燃料噴射弁が補助燃料を噴射することで、補助燃料は、気筒内の強い圧縮圧を受けることなく、縦渦の流動に乗って、排気バルブ側から吸気バルブ側の領域に運ばれる。このため、点火の際に吸気バルブ側に濃い混合気を配置することができる。

【0025】

一方、パラメータが第２閾値よりも大きいと判定された場合は、縦渦については、圧縮行程後半で排気バルブから吸気バルブに向かう反一方向流動になるため、排気バルブ側の乱流が生成されにくい。パラメータが第２閾値よりも大きいと判定された場合は、相対的に遅角側のタイミングで、燃料噴射弁が補助燃料を噴射することで、補助燃料は、気筒内の強い圧縮圧を受けて、シリンダー内の中央部に留まると共に、そこから流動が弱い排気バルブ側へ流れる。このため、点火の際に排気バルブ側に濃い混合気を配置することができる。

【0026】

また、パラメータが第１閾値よりも小さいと判定された場合は、横渦については、その中心が吸気バルブ側へ傾いている。これは、シリンダー内に導入された吸気流動の径方向の速度分布において最大流速が比較的低く、流速分布の尖度が低いことに起因する。この場合、火炎が、吸気バルブ側の領域へ伝播しにくくなる。パラメータが第１閾値よりも小さいと判定された場合は、相対的に進角側のタイミングで、燃料噴射弁が補助燃料を噴射する。補助燃料は、横渦の流動に乗って、時間をかけて吸気バルブ側の領域に運ばれる。点火の際に吸気バルブ付近に濃い混合気を配置することができる。

【0027】

一方、パラメータが第２閾値よりも大きいと判定された場合は、横渦については、その中心が排気バルブ側へ傾いている。これは、シリンダー内に導入された吸気流動の、ライナー付近の流速が極端に速くなることに起因する。この場合も、火炎が、吸気バルブ側の領域へ伝播しにくくなる。パラメータが第２閾値よりも大きいと判定された場合は、相対的に遅角側のタイミングで、燃料噴射弁が補助燃料を噴射する。このことで、補助燃料は、ライナー付近の高速な流動に乗って、速やかに吸気バルブ側の領域に運ばれて、点火の際に吸気バルブ付近に濃い混合気を配置することができる。

【0028】

前記パラメータ検出工程において、前記点火装置は、前記吸気バルブが開弁したのち、前記吸気バルブが閉弁するまでに前記パラメータを検出し、前記判定工程において、前記制御器は、前記パラメータに基づいて、前記シリンダー内の横渦の流動状態を判定する、としても良い。

【0029】

タンブル流れとスワール流れによって発生する斜め流動は縦渦と横渦とに分けることができ、主にスワール流れに起因する横渦の中心は、吸気バルブが開弁したのち吸気バルブが閉まるまでの吸気行程の期間において、安定する。そこで、吸気バルブが開弁したのち、吸気バルブが閉まるまでの期間に、点火装置がパラメータを検出することで、制御器は、横渦の中心位置を含んだ流動状態を精度よく推定できる。

【0030】

一実施形態として、前記点火装置は、前記吸気バルブが開弁しかつ、該開弁から所定の時定数が経過したのち、前記パラメータを検出する、としても良い。

【0031】

吸気バルブが開いた瞬間から所定期間は吸気がばらつきやすい。従って、この所定期間、点火装置はパラメータの検出を禁止することで、制御器は、横渦による渦中心の位置をさらに精度よく推定できる。

【0032】

本発明はまた、ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダーと、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置と、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁と、を持つエンジンを、制御器を用いて制御する方法であって、吸気行程又は圧縮行程に前記燃料噴射弁が主燃料を噴射し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射工程、混合気が着火しない時期に、前記点火装置が、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するパラメータ検出工程、前記制御器が、該パラメータ検出工程で検出された前記パラメータが、第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定工程、前記判定工程で、前記パラメータが前記第１閾値から前記第２閾値までの範囲外と判定された場合に、前記主燃料の噴射より後に、前記燃料噴射弁が、補助燃料を噴射する補助燃料噴射工程、及び、前記補助燃料の噴射より後に、前記点火装置が、前記点火プラグを用いて、前記混合気に点火する点火工程、を有し、前記パラメータ検出工程において、前記点火装置は、前記吸気バルブが閉弁したのち、前記パラメータを検出し、前記判定工程において、前記制御器は、前記パラメータに基づいて、前記シリンダー内の縦渦の流動状態を判定する。

【0033】

主にタンブル流れに起因する縦渦の中心は、吸気バルブが閉弁したのちの圧縮行程の期間において安定する。そこで、吸気バルブが閉弁したのちに、点火装置がパラメータを検出することで、制御器は、縦渦の中心位置を含んだ流動状態を精度よく推定できる。

【0034】

本発明はまた、ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダーと、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置と、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁と、を持つエンジンを、制御器を用いて制御する方法であって、吸気行程又は圧縮行程に前記燃料噴射弁が主燃料を噴射し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射工程、混合気が着火しない時期に、前記点火装置が、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するパラメータ検出工程、前記制御器が、該パラメータ検出工程で検出された前記パラメータが、第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定工程、前記判定工程で、前記パラメータが前記第１閾値から前記第２閾値までの範囲外と判定された場合に、前記主燃料の噴射より後に、前記燃料噴射弁が、補助燃料を噴射する補助燃料噴射工程、及び、前記補助燃料の噴射より後に、前記点火装置が、前記点火プラグを用いて、前記混合気に点火する点火工程、を有し、前記パラメータ検出工程において、前記点火装置は、吸気行程で前記パラメータを検出し、かつ圧縮行程で前記パラメータを検出する。

【0035】

つまり、点火装置が、吸気行程及び圧縮行程の両方においてパラメータを検出することで、上述したように、制御器は、横渦成分による渦中心の位置、及び縦渦成分による渦中心の位置を推定できるため、気筒内の斜め流動の状態をより精度よく推定できる。

【0036】

また本発明は、ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダー、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置、及び、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁、を備えたエンジンと、前記点火装置、及び前記燃料噴射弁に電気的に接続された制御器と、を有するエンジンシステムであって、前記制御器は、前記燃料噴射弁が、吸気行程又は圧縮行程に、主燃料を噴射するように前記燃料噴射弁を制御し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射部と、混合気が着火しない時期に、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するように前記点火装置を制御し、そして前記点火装置が検出したパラメータが、渦の中心がシリンダー内の中央部に位置している第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定部と、前記判定部が、前記パラメータが前記第１閾値から第２閾値までの範囲外であって、渦の中心がシリンダー内の中央部からずれていて、シリンダー内の一部の領域への火炎伝播が阻害されると判定した場合に、前記主燃料の噴射より後に前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁を制御する補助燃料噴射部と、前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射したのち、前記混合気に点火プラグが点火するように前記点火装置を制御する主点火制御部と、を備えることを特徴とするエンジンシステムである。

【0037】

このようなエンジンシステムは、前述したように、点火装置が、点火プラグの電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出すれば、シリンダー内における渦中心の位置が推定できるという本願発明者らの知見に基づいている。

【0038】

制御器は、推定した渦中心の位置に応じて、必要であれば、主燃料の噴射よりも後でかつ、点火よりも前に、燃料噴射弁に補助燃料を噴射させる。このことにより、圧縮行程後半に、特定領域に濃い混合気を配置できる。

【0039】

制御器は、その後、点火プラグが混合気に点火するように点火装置を制御することで、濃い混合気が配置された領域の燃焼速度が速くなる。

【0040】

こうして、各サイクルにおいて、必要な場合は補助燃料を噴射することにより、サイクル毎の燃焼速度が一定または略一定になるため、燃焼変動が抑制できる。

【0041】

本発明はまた、ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダー、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置、及び、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁、を備えたエンジンと、前記点火装置、及び前記燃料噴射弁に電気的に接続された制御器と、を有するエンジンシステムであって、前記制御器は、前記燃料噴射弁が、吸気行程又は圧縮行程に、主燃料を噴射するように前記燃料噴射弁を制御し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射部と、混合気が着火しない時期に、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するように前記点火装置を制御し、そして前記点火装置が検出したパラメータが第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定部と、前記判定部が、前記パラメータが前記第１閾値から第２閾値までの範囲外と判定した場合に、前記主燃料の噴射より後に前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁を制御する補助燃料噴射部と、前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射したのち、前記混合気に点火プラグが点火するように前記点火装置を制御する主点火制御部と、を備え、前記燃料噴射弁は、前記判定部が、前記パラメータが前記第１閾値より小さいと判定した場合は、第１噴射時期に補助燃料を噴射し、前記第２閾値よりも大きいと判定した場合は、前記第１噴射時期よりも遅角側の第２噴射時期に補助燃料を噴射する。

【0042】

パラメータと、第１閾値及び第２閾値との大小関係に基づいて補助燃料の噴射時期が変わることによって、特定領域に濃い混合気を配置できる。

【0043】

前記点火装置は、前記吸気バルブが開弁したのち、前記吸気バルブが閉弁するまでに、前記パラメータを検出し、前記制御器は、前記パラメータに基づいて、前記シリンダー内の横渦の流動状態を判定する、としても良い。

【0044】

上述したように、吸気バルブが開弁したのち、吸気バルブが閉まるまでの吸気行程に、点火装置がパラメータを検出することで、制御器は、横渦による渦中心の位置を精度よく推定できる。

【0045】

前記点火装置は、前記吸気バルブが開弁しかつ、所定の時定数が経過したのち、前記パラメータを検出する、としても良い。

【0046】

上述したように、吸気バルブが開いた瞬間から所定期間は吸気流動がばらつきやすい。従って、この所定期間、点火装置はパラメータの検出を禁止することで、制御器は、横渦による渦中心の位置を精度よく推定できる。

【0047】

本発明はまた、ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダー、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置、及び、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁、を備えたエンジンと、前記点火装置、及び前記燃料噴射弁に電気的に接続された制御器と、を有するエンジンシステムであって、前記制御器は、前記燃料噴射弁が、吸気行程又は圧縮行程に、主燃料を噴射するように前記燃料噴射弁を制御し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射部と、混合気が着火しない時期に、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するように前記点火装置を制御し、そして前記点火装置が検出したパラメータが第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定部と、前記判定部が、前記パラメータが前記第１閾値から第２閾値までの範囲外と判定した場合に、前記主燃料の噴射より後に前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁を制御する補助燃料噴射部と、前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射したのち、前記混合気に点火プラグが点火するように前記点火装置を制御する主点火制御部と、を備え、前記点火装置は、前記吸気バルブが閉弁したのち、前記パラメータを検出し、前記制御器は、前記パラメータに基づいて、前記シリンダー内の縦渦の流動状態を判定する。

【0048】

上述したように、吸気バルブが閉弁したのちの圧縮行程に、点火装置がパラメータを検出することで、制御器は、縦渦による渦中心の位置を精度よく推定できる。

【0049】

本発明はまた、ペントルーフ型の天井部を有しかつ、該天井部に設けられた吸気バルブを通じて空気が導入されるシリンダー、該シリンダーの中央部に配置された点火プラグを含む点火装置、及び、前記シリンダーの中央部に配置された燃料噴射弁、を備えたエンジンと、前記点火装置、及び前記燃料噴射弁に電気的に接続された制御器と、を有するエンジンシステムであって、前記制御器は、前記燃料噴射弁が、吸気行程又は圧縮行程に、主燃料を噴射するように前記燃料噴射弁を制御し、燃料及び空気を含む混合気を前記シリンダー内に設ける主燃料噴射部と、混合気が着火しない時期に、前記点火プラグの電極間に高電圧を印加しかつ、前記電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出するように前記点火装置を制御し、そして前記点火装置が検出したパラメータが第１閾値から第２閾値までの範囲内か範囲外かを判定することにより、前記シリンダー内の渦流動の状態を判定する判定部と、前記判定部が、前記パラメータが前記第１閾値から第２閾値までの範囲外と判定した場合に、前記主燃料の噴射より後に前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁を制御する補助燃料噴射部と、前記燃料噴射弁が補助燃料を噴射したのち、前記混合気に点火プラグが点火するように前記点火装置を制御する主点火制御部と、を備え、前記点火装置は、吸気行程で前記パラメータを検出し、かつ圧縮行程で前記パラメータを検出する。

【0050】

上述のように、点火装置が、吸気行程及び圧縮行程の両方において前記パラメータを検出することで、制御器は、横渦成分による渦中心の位置、及び縦渦成分による渦中心の位置を推定できるため、気筒内の斜め流動の状態をより精度よく推定できる。

【発明の効果】

【0051】

以上説明したように、前記のエンジンの制御方法、及び、前記のエンジンシステムによると、吸気流動にばらつきが生じても、補助燃料の噴射によって燃焼速度を一定にできるから、燃焼変動が抑制でき、エンジンの燃費を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0052】

【図1】図１は、エンジンシステムを例示する図である。

【図2】図２の上図は、エンジンの燃焼室の構造を例示する平面図であり、下図は、上図のII－II断面図である。

【図3】図３は、エンジンシステムのブロック図である。

【図4】図４は、点火装置を例示する図である。

【図5】図５は、エンジンの制御に係る機能ブロックを示すブロック図である。

【図6】図６は、縦渦の中心位置と、圧縮行程後半のシリンダー内の流動状態とを説明する図である。

【図7】図７は、点火プラグ付近の流動の強さが異なる場合における、点火プラグの電極間における電圧及び電流の時間変化を例示する図である。

【図8】図８は、点火プラグが検出する放電時間と、縦渦の中心位置とを示す図である。

【図9】図９は、横渦の中心位置と、シリンダー内の火炎の伝播状態との関係を説明する図である。

【図10】図１０は、点火プラグが検出する放電時間と、横渦の中心位置との関係を示す図である。

【図11】図１１は、主燃料の噴射タイミング、放電のタイミング、補助燃料の噴射タイミング、及び、主点火のタイミングを例示するタイミングチャートである。

【図12】図１２は、縦渦の中心位置がピストンに近い場合における、シリンダー内の流動の変化と補助燃料の分布とを説明する図である。

【図13】図１３は、縦渦の中心位置が天井部に近い場合における、シリンダー内の流動の変化と補助燃料の分布とを説明する図である。

【図14】図１４は、横渦の中心位置が排気バルブ側に傾いた場合、及び、横渦の中心位置が吸気バルブ側に傾いた場合のそれぞれにおける、シリンダー内の流動の変化と補助燃料の分布とを説明する図である。

【図15】図１５は、ＥＣＵが実行する、エンジン制御の手順を例示するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0053】

以下、エンジンの制御方法、及び、エンジンシステムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。ここで説明するエンジン、エンジンシステム、及び、その制御方法は例示である。

【0054】

図１は、エンジンシステムを例示する図である。図２は、エンジンの燃焼室の構造を例示する図である。図１における吸気側と排気側との位置と、図２における吸気側と排気側との位置とは、入れ替わっている。図３は、エンジンの制御装置を例示するブロック図である。

【0055】

エンジンシステムは、エンジン１を有している。エンジン１は、シリンダー１１を有している。シリンダー１１の中で、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程が繰り返される。エンジン１は、４ストロークエンジンである。エンジン１は、四輪の自動車に搭載されている。エンジン１が運転することによって自動車は走行する。エンジン１の燃料は、この構成例においてはガソリンである。

【0056】

（エンジンの構成）
エンジン１は、シリンダーブロック１２と、シリンダーヘッド１３とを備えている。シリンダーヘッド１３は、シリンダーブロック１２の上に載置される。シリンダーブロック１２に、複数のシリンダー１１が形成されている。エンジン１は、多気筒エンジンである。図１では、一つのシリンダー１１のみを示す。

【0057】

各シリンダー１１には、ピストン３が内挿されている。ピストン３は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。ピストン３は、シリンダー１１の内部を往復動する。ピストン３、シリンダー１１及びシリンダーヘッド１３は、燃焼室１７を形成する。

【0058】

シリンダーヘッド１３の下面、つまり、シリンダー１１の天井部は、図２の下図に示すように、傾斜面１３１１と、傾斜面１３１２とによって構成されている。傾斜面１３１１は、後述する吸気バルブ２１側の傾斜面１３１１であり、シリンダー１１の中央部に向かって上り勾配となっている。傾斜面１３１２は、排気バルブ２２側の傾斜面１３１２であり、シリンダー１１の中央部に向かって上り勾配となっている。シリンダー１１の天井部は、いわゆるペントルーフ型である。

【0059】

シリンダーヘッド１３には、シリンダー１１毎に、吸気ポート１８が形成されている。吸気ポート１８は、シリンダー１１内に連通している。吸気ポート１８は、詳細な図示は省略するが、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート１８は、シリンダー１１の中にタンブル流が発生するような形状を有している。ペントルーフ型のシリンダー１１の天井部と、タンブルポートとは、シリンダー１１の中にタンブル流を発生させる。

【0060】

吸気ポート１８には、吸気バルブ２１が配設されている。吸気バルブ２１は、吸気ポート１８を開閉する。動弁機構は、吸気バルブ２１を所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構としてもよい。図３に示すように、動弁機構は、吸気Ｓ－ＶＴ（Sequential-Valve Timing）２３を有している。吸気Ｓ－ＶＴ２３は、電動式又は油圧式である。吸気Ｓ－ＶＴ２３は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。吸気バルブ２１の開弁期間は変化しない。

【0061】

シリンダーヘッド１３には、シリンダー１１毎に、排気ポート１９が形成されている。排気ポート１９は、シリンダー１１内に連通している。

【0062】

排気ポート１９には、排気バルブ２２が配設されている。排気バルブ２２は、排気ポート１９を開閉する。動弁機構は、排気バルブ２２を所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構としてもよい。図３に示すように、動弁機構は、排気Ｓ－ＶＴ２４を有している。排気Ｓ－ＶＴ２４は、電動式又は油圧式である。排気Ｓ－ＶＴ２４は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。排気バルブ２２の開弁期間は変化しない。

【0063】

シリンダーヘッド１３には、シリンダー１１毎に、インジェクタ６が取り付けられている。図２に示すように、インジェクタ６は、シリンダー１１の中央部に配設されている。より詳細に、インジェクタ６は、傾斜面１３１１と傾斜面１３１２とが交差するペントルーフの谷部に配設されている。

【0064】

インジェクタ６は、シリンダー１１の中に燃料を直接噴射する。インジェクタ６は、燃料噴射弁の一例である。インジェクタ６は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型である。インジェクタ６は、図２に二点鎖線で示すように、シリンダー１１の中央部から周辺部に向かって、放射状に広がるように燃料を噴射する。インジェクタ６は、図例では、周方向に等角度に配置された十個の噴孔を有しているが、噴孔の数、及び、配置は特に制限されない。

【0065】

インジェクタ６には、燃料供給システム６１が接続されている。燃料供給システム６１は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク６３と、燃料タンク６３とインジェクタ６とを互いに連結する燃料供給路６２とを備えている。燃料供給路６２には、燃料ポンプ６５とコモンレール６４とが介設している。燃料ポンプ６５は、コモンレール６４に燃料を圧送する。燃料ポンプ６５は、この構成例においては、クランクシャフト１５によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール６４は、燃料ポンプ６５から圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄える。インジェクタ６が開弁すると、コモンレール６４に蓄えられていた燃料が、インジェクタ６の噴口からシリンダー１１の中に噴射される。インジェクタ６に供給する燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更してもよい。尚、燃料供給システム６１の構成は、前記の構成に限定されない。

【0066】

シリンダーヘッド１３には、シリンダー１１毎に、点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、シリンダー１１の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ２５の中心電極及び接地電極は、詳細な図示は省略するが、シリンダー１１の中央部において、シリンダー１１の天井部の付近に位置している。

【0067】

図１又は図３に示すように、点火プラグ２５は、点火装置７に対して電気的に接続されている。点火装置７は、点火プラグ２５の電極間に電圧を印加することによって放電（アーク放電）を実行させ、シリンダー１１内の混合気に点火する。点火装置７はまた、詳細は後述するが、混合気が着火しない時期に、点火プラグ２５に放電を実行させ、その時に電極間に生じた放電経路の電流値に関するパラメータを検出する。検出したパラメータは、シリンダー１１内の流動状態の推定に用いられる。点火装置７の構成は、後述する。

【0068】

エンジン１の一側面には吸気通路４０が接続されている。吸気通路４０は、各シリンダー１１の吸気ポート１８に連通している。シリンダー１１に導入される空気は、吸気通路４０を流れる。吸気通路４０の上流端部には、エアクリーナー４１が配設されている。エアクリーナー４１は、空気を濾過する。吸気通路４０の下流端近傍には、サージタンク４２が配設されている。サージタンク４２よりも下流の吸気通路４０は、シリンダー１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダー１１の吸気ポート１８に接続されている。

【0069】

吸気通路４０におけるエアクリーナー４１とサージタンク４２との間には、スロットルバルブ４３が配設されている。スロットルバルブ４３は、バルブの開度を調節することによって、シリンダー１１の中への空気の導入量を調節する。

【0070】

エンジン１は、シリンダー１１内にスワール流を発生させるスワール発生部を有している。スワール発生部は、詳細な図示は省略するが、吸気通路４０に取り付けられたスワールコントロールバルブ５６を有している。スワールコントロールバルブ５６は、サージタンク４２よりも下流において、互いに平行な第１吸気通路１８ａ及び第２吸気通路１８ｂ（図２参照）のうちの、第２吸気通路１８ｂに配設されている。スワールコントロールバルブ５６は、第２吸気通路１８ｂの断面を絞ることができる開度調節バルブである。スワールコントロールバルブ５６の開度が小さいと、図２に示す第１吸気通路１８ａからシリンダー１１に流入する吸気流量が相対的に多くかつ、第２吸気通路１８ｂからシリンダー１１に流入する吸気流量が相対的に少ないから、シリンダー１１内のスワール流が強くなる。スワールコントロールバルブ５６の開度が大きいと、第１吸気通路１８ａ及び第２吸気通路１８ｂのそれぞれからシリンダー１１に流入する吸気流量が、略均等になるから、シリンダー１１内のスワール流が弱くなる。スワールコントロールバルブ５６を全開にすると、スワール流が発生しない。尚、スワール流は、白抜きの矢印で示すように、図２における反時計回り方向に周回する。

【0071】

尚、スワールコントロールバルブ５６によってスワール流を発生させる代わりに、エンジン１の吸気ポート１８を、スワール流を生成可能なヘリカルポートに構成してもよい。

【0072】

エンジン１の他側面には、排気通路５０が接続されている。排気通路５０は、各シリンダー１１の排気ポート１９に連通している。排気通路５０は、シリンダー１１から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路５０の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダー１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダー１１の排気ポート１９に接続されている。

【0073】

排気通路５０には、複数の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。上流の触媒コンバーターは、例えば三元触媒５１１と、ＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）５１２とを有している。下流の触媒コンバーターは、三元触媒５１３を有している。尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されるものではない。例えば、ＧＰＦは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びＧＰＦの並び順は、適宜変更してもよい。

【0074】

吸気通路４０と排気通路５０との間には、ＥＧＲ通路５２が接続されている。ＥＧＲ通路５２は、排気ガスの一部を吸気通路４０に還流させるための通路である。ＥＧＲ通路５２の上流端は、排気通路５０における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。ＥＧＲ通路５２の下流端は、吸気通路４０におけるスロットルバルブ４３とサージタンク４２との間に接続されている。

【0075】

ＥＧＲ通路５２には、水冷式のＥＧＲクーラー５３が配設されている。ＥＧＲクーラー５３は、排気ガスを冷却する。ＥＧＲ通路５２にはまた、ＥＧＲバルブ５４が配設されている。ＥＧＲバルブ５４は、ＥＧＲ通路５２を流れる排気ガスの流量を調節する。ＥＧＲバルブ５４の開度を調節することによって、冷却した排気ガスの還流量を調節することができる。

【0076】

エンジン１の制御装置は、図３に示すように、エンジン１を運転するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）１０を備えている。ＥＣＵ１０は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）１０１と、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ１０２と、電気信号の入出力をするＩ／Ｆ回路１０３と、を備えている。ＥＣＵ１０は、制御器の一例である。

【0077】

ＥＣＵ１０には、図１及び図３に示すように、各種のセンサＳＷ１～ＳＷ９が接続されている。センサＳＷ１～ＳＷ９は、信号をＥＣＵ１０に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。
エアフローセンサＳＷ１：吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる空気の流量を計測する。
吸気温度センサＳＷ２：吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる空気の温度を計測する。
吸気圧センサＳＷ３：サージタンク４２に取り付けられかつ、シリンダー１１に導入される空気の圧力を計測する
筒内圧センサＳＷ４：各シリンダー１１に対応してシリンダーヘッド１３に取り付けられかつ、各シリンダー１１内の圧力を計測する。
水温センサＳＷ５：エンジン１に取り付けられかつ、冷却水の温度を計測する。
クランク角センサＳＷ６：エンジン１に取り付けられかつ、クランクシャフト１５の回転角を計測する。
アクセル開度センサＳＷ７：アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する。
吸気カム角センサＳＷ８：エンジン１に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を計測する。
排気カム角センサＳＷ９：エンジン１に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を計測する。

【0078】

ＥＣＵ１０は、これらのセンサＳＷ１～ＳＷ９の信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断すると共に、予め定められている制御ロジックに従って、各デバイスの制御量を演算する。制御ロジックは、メモリ１０２に記憶されている。制御ロジックは、メモリ１０２に記憶しているマップを用いて、目標量及び／又は制御量を演算することを含む。

【0079】

ＥＣＵ１００は、演算をした制御量に係る電気信号を、インジェクタ６、点火プラグ２５、吸気Ｓ－ＶＴ２３、排気Ｓ－ＶＴ２４、燃料供給システム６１、スロットルバルブ４３、ＥＧＲバルブ５４、及び、スワールコントロールバルブ５６に出力する。

【0080】

各種のセンサ及び各種のデバイスに電気的に接続されたＥＣＵ１０は、後述するように、エンジン１を運転するための、複数の機能ブロックを構成する。

【0081】

（点火装置の構成）
図４は、点火装置７の構成を例示している。点火装置７は、点火プラグ２５の中心電極２５１と接地電極２５２との間に電圧を印加し、シリンダー１１内において放電させる。点火装置７は点火コイル７０を有している。点火コイル７０は、１次コイル７０ａ、２次コイル７０ｃ、及び、鉄芯７０ｂを有している。点火装置７はまた、コンデンサ７２と、トランジスタ７３と、エネルギ発生装置７４と、点火制御器７５と、を備えている。

【0082】

中心電極２５１は、点火コイル７０の２次コイル７０ｃに接続されている。接地電極２５２は、接地されている。２次コイル７０ｃによって、電極間に印加された２次電圧が、絶縁破壊に要求される電圧に達すると、中心電極２５１と接地電極２５２との間にある空隙に放電が生じる。

【0083】

１次コイル７０ａの一端はコンデンサ７２に接続されている。コンデンサ７２は、１次コイル７０ａに１次電流を流すための電気エネルギを蓄える。エネルギ発生装置７４は、電源を含んでいる。エネルギ発生装置７４は、コンデンサ７２を充電する。

【0084】

１次コイル７０ａの一端はトランジスタ７３のコレクタに接続されている。トランジスタ７３は、点火コイル７０の１次電流を断続する。

【0085】

２次コイル７０ｃの一端は、前述したように、中心電極２５１に接続されており、他端は、点火制御器７５に接続されている。

【0086】

点火制御器７５は、エネルギ発生装置７４及びトランジスタ７３を制御し、所定のタイミングで、点火プラグ２５を用いて、シリンダー１１内の混合気に点火する。

【0087】

点火制御器７５はまた、２次コイル７０ｃが点火プラグ２５の電極間に印加する２次電圧と、２次コイル７０ｃから点火プラグ２５に流れる２次電流とを計測できる。前述の通り、点火装置７は、混合気が着火しない時期に、点火プラグ２５に放電を実行させ、その時に電流値に関するパラメータを検出する。

【0088】

（エンジンの運転制御）
次に、ＥＣＵ１０によるエンジン１の運転制御について説明する。このエンジン１は、火花点火式のエンジンである。インジェクタ６は、エンジン１の運転状態に対応する量の燃料を、吸気行程又は圧縮行程中に、シリンダー１１内に噴射する。シリンダー１１の中に、混合気が設けられる。点火プラグ２５は、圧縮上死点付近の所定のタイミングで、混合気に点火し、混合気が燃焼する。

【0089】

燃費を向上させるために、このエンジン１は、シリンダー１１内に乱流を発生させる。シリンダー１１内に乱流が発生すると、燃焼速度が高まる。具体的にエンジン１は、シリンダー１１の天井部がペントルーフ型であると共に、吸気ポート１８がタンブルポートである。シリンダー１１の中に導入された吸気は、タンブル流を生成する。エンジン１はまた、スワールコントロールバルブ５６を有している。スワールコントロールバルブ５６を閉じることによって、シリンダー１１の中に導入された吸気は、スワール流を生成する。タンブル流とスワール流とが組み合わさることで、シリンダー１１内には、縦渦と横渦とが合成された斜め流動が形成される。

【0090】

ここで、シリンダー１１内の吸気流動の状態は、毎サイクルで同じではなく、様々な要因によってサイクル毎に変わる可能性がある。シリンダー１１内の吸気流動の状態が変わると、燃焼速度が変わる場合がある。燃焼速度がサイクル毎に変わってしまうと、エンジン１の燃焼変動を招いてしまう。ここに開示するエンジンシステム、及び、エンジン１の制御方法は、サイクル毎に燃焼速度が変わることを抑制することにより、エンジン１の燃焼変動を抑制する。

【0091】

より具体的に、このエンジンシステムは、サイクル毎に、シリンダー１１内の流動の状態を推定すると共に、推定した流動の状態に基づいて、必要に応じて、シリンダー１１内に補助燃料を噴射する。

【0092】

図５は、燃焼変動の抑制制御を実行するエンジン１の制御装置の構成を例示するブロック図である。図５は、ＥＣＵ１０が有する機能ブロックを図示している。ＥＣＵ１０は、機能ブロックとして、主燃料噴射部８１、及び、主点火制御部８２を有している。主燃料噴射部８１は、エンジン１の要求トルクに対応する主燃料の量及び噴射タイミングを設定すると共に、インジェクタ６に、主燃料の噴射を実行させる機能ブロックである。主点火制御部８２は、主燃料の噴射の後に、点火プラグ２５を用いて、シリンダー１１内に設けられた混合気に、所定のタイミングで点火させる機能ブロックである。

【0093】

ＥＣＵ１０はまた、判定部８３、及び、補助燃料噴射部８４を有している。判定部８３は、後述するように、点火装置７及び点火プラグ２５を用いて検出したパラメータに基づいて、シリンダー１１内の流動状態を判定する機能ブロックである。補助燃料噴射部８４は、判定部８３が判定したシリンダー１１内の流動状態に基づき、点火プラグ２５が混合気に点火する前に、必要に応じてシリンダー１１内に補助燃料を噴射する機能ブロックである。

【0094】

以下、図５に例示するエンジンの制御装置が実行する、シリンダー１１内の流動の状態推定を説明し、その後、推定した流動の状態に応じた、補助燃料の噴射制御を説明する。

【0095】

（流動状態の推定）
図６は、圧縮行程前半における縦渦の中心位置と、圧縮行程後半におけるシリンダー１１内の流動状態とを示す図である。図６のチャート６０１は、圧縮行程の前半において縦渦の中心の位置が、シリンダー１１内のピストン３に近い位置である場合の、シリンダー１１内の流動状態を例示し、チャート６０４は、チャート６０１の状態からクランク角が進行した圧縮行程の後半での、シリンダー１１内の流動状態を例示している。

【0096】

同様に、チャート６０２は、圧縮行程の前半において縦渦の中心の位置が、シリンダー１１内のピストン３と天井部との中間位置である場合の、シリンダー１１内の流動状態を例示し、チャート６０５は、チャート６０２の状態からクランク角が進行した圧縮行程の後半での、シリンダー１１内の流動状態を例示している。

【0097】

また、チャート６０３は、圧縮行程の前半において縦渦の中心の位置が、シリンダー１１内の天井部に近い位置である場合の、シリンダー１１内の流動状態を例示し、チャート６０６は、チャート６０３の状態からクランク角が進行した圧縮行程の後半での、シリンダー１１内の流動状態を例示している。

【0098】

尚、圧縮行程の前半とは、圧縮行程を前半と後半とに二等分した場合の前半であり、圧縮行程の後半とは、圧縮行程を前半と後半とに二等分した場合の後半である。

【0099】

先ず、チャート６０２に示すように、シリンダー１１内の縦渦の中心が、側面視でシリンダー１１の中央付近に存在する場合は、チャート６０５に実線の矢印で示すように、圧縮行程後半でも旋回流が維持される。その結果、乱流度合いが、シリンダー１１内の全体において均等又は略均等となる。この場合、火炎は、シリンダー１１内の中央付近から周辺部へ、均等又は略均等に伝播する。火炎の伝播は、シリンダー１１内の乱流によって促進されるから、燃焼速度は、比較的速い。

【0100】

チャート６０１に示すように、縦渦の中心の位置が、側面視でシリンダー１１の下方側付近にずれて存在する場合は、チャート６０４に示すように、圧縮行程後半で、渦中心がピストン３の頂面に接触することにより縦渦の下半分が潰れ、同図に矢印で示すように、シリンダー１１内の流動が、吸気バルブ２１から排気バルブ２２に向かう一方向の流動となる。以下この一方向流動を、正一方向流動と呼ぶ。シリンダー１１内の流動が正一方向流動となると、シリンダー１１内の、乱流度合いが不均等になる。具体的には、排気バルブ側の領域の乱流度合いは強いが、吸気バルブ側の領域の乱流度合いは弱くなる（同図の一点鎖線で囲んだ領域参照）。この場合、シリンダー１１の中央部において混合気に点火されることにより発生した火炎は、排気バルブ側の領域へは伝播しやすい一方、吸気バルブ側の領域へは伝播しにくい。チャート６０４の場合、チャート６０５の場合と比べて燃焼速度が遅くなる。

【0101】

チャート６０３に示すように、縦渦の中心の位置が、側面視でシリンダー１１の上方側付近にずれて存在する場合は、圧縮行程後半で、渦中心がシリンダー１１の天井部に接触することにより縦渦の上半分が潰れ、チャート６０６に矢印で示すように、シリンダー１１内の流動が、排気バルブ２２から吸気バルブ２１へ向かう一方向の流動となる。以下この一方向流動を、反一方向流動と呼ぶ。シリンダー１１内の流動が反一方向流動となると、シリンダー１１内の、乱流度合いが不均等になる。具体的には、吸気バルブ側の領域の乱流度合いは強いが、排気バルブ側の領域の乱流度合いが弱くなる（同図の一点鎖線で囲んだ領域参照）。この場合、火炎は、吸気バルブ側の領域へは伝播しやすい一方、排気バルブ側の領域へは伝播しにくい。チャート６０６の場合、チャート６０５の場合と比べて燃焼速度が遅くなる。

【0102】

エンジンシステムにおいて、点火装置７は、シリンダー１１内の流動状態を検出する。具体的に点火装置７は、混合気が着火しない時期に、シリンダー１１内において放電を行い、その放電が継続する時間を検出する。判定部８３は、検出された放電時間に基づいて、点火プラグ２５付近の流動の強さを推定すると共に、推定した流動強さに基づいて、縦渦の中心位置を判断する。

【0103】

図７は、点火プラグ２５付近の流動の強さが異なる場合における、点火プラグ２５の電極間における電圧の時間変化７０１、及び、電流の時間変化７０２を例示している。点火プラグ２５にエネルギを付与することによって、その電極間に電圧を印加すれば、中心電極２５１と接地電極２５２との間に放電経路が形成される（チャート７０３、７０４参照）。放電経路は、点火プラグ２５付近の流動が強いほど、その流動に流されて伸びる。放電経路が伸長することで、電極間の抵抗が増大し、電極間に印加した電圧の降下が促進する。点火プラグ２５付近の流動が強くなるほど、点火プラグ２５に付与したエネルギが消費される時間、つまり放電時間が短くなる。

【0104】

より詳細に、図７に実線で示すように、点火プラグ２５付近の流動がない場合、放電経路はあまり伸長しないので（チャート７０３参照）、放電時間は長い。点火プラグ２５付近の流動が強くなるほど、放電経路は伸長するので（チャート７０４参照）、チャート７０１、７０２に破線で示すように、放電時間が短くなる。つまり、点火プラグ２５の電極間における電流の放電時間と、点火プラグ２５付近の流動の強さとは、比例する。点火装置７が放電時間を検出すれば、判定部８３は、点火プラグ２５付近の流動の強さ（つまり、流速）を推定できる。

【0105】

図８は、点火装置７が検出する放電時間と、シリンダー１１内における縦渦の中心位置との関係を示している。図８のチャート８００は、放電時間と、点火プラグ２５付近の流速Ｖｐとの関係を示している。前述したように、放電時間と流速Ｖｐとは比例関係を有しており、放電時間が短いほど、流速Ｖｐが速く、放電時間が長いほど、流速Ｖｐが遅い。

【0106】

図８のチャート８０２に示すように、縦渦の中心位置が、圧縮行程の前半において、シリンダー１１内のピストン３と天井部との中間位置である場合、点火プラグ２５と渦の中心位置とが、ある程度、離れるため、点火プラグ２５付近の流速は、Ｖ１とＶ２との間になる。

【0107】

一方、チャート８０１に示すように、縦渦の中心位置が、圧縮行程の前半において、ピストン３に近い位置である場合、点火プラグ２５と渦の中心とが大きく離れるため、点火プラグ２５付近の流速Ｖｐは、Ｖ１よりも速くなる。

【0108】

また、チャート８０３に示すように、縦渦の中心位置が、圧縮行程の前半において、天井部に近い位置である場合、点火プラグ２５と渦の中心とが近いため、点火プラグ２５付近の流速Ｖｐは、Ｖ２よりも遅くなる。

【0109】

主としてタンブル流によりシリンダー１１内に形成される縦渦は、吸気バルブ２１が閉じた後の圧縮行程において安定になり、その中心位置が定まる。従って、圧縮行程の前半において、点火プラグ２５が放電（後述する第２放電）を行いかつ、点火装置７が検出した放電時間（後述する第２放電時間）が、速度Ｖ１に対応する第１閾値よりも短い場合は、縦渦の中心位置が、ピストン３に近い位置であると推定でき、放電時間が、速度Ｖ２に対応する第２閾値よりも長い場合は、縦渦の中心位置が、天井部に近い位置であると推定でき、放電時間が第１閾値と第２閾値との間の場合は、縦渦の中心位置が、シリンダー１１の中間位置であると推定できる。

【0110】

図９は、吸気行程における横渦の中心位置と、圧縮行程後半のシリンダー１１内の流動状態との関係を示す図である。図９のチャート９０１は、吸気行程において横渦の中心の位置が、シリンダー１１内の排気バルブ側に傾いた場合の、シリンダー１１内の流動状態を例示し、チャート９０４は、チャート９０１の状態からクランク角が進行した圧縮行程の後半以降における、火炎の伝播状態を例示している。

【0111】

同様に、チャート９０２は、吸気行程において横渦の中心の位置が、シリンダー１１内の中央部において、シリンダー１１の軸にほぼ沿っている場合の、シリンダー１１内の流動状態を例示し、チャート９０５は、チャート９０２の状態からクランク角が進行した圧縮行程の後半以降における、火炎の伝播状態を例示している。

【0112】

また、チャート９０３は、吸気行程において縦渦の中心の位置が、シリンダー１１内の吸気バルブ側に傾いた場合の、シリンダー１１内の流動状態を例示し、チャート９０６は、チャート９０３の状態からクランク角が進行した圧縮行程の後半以降における、火炎の伝播状態を例示している。

【0113】

先ず、チャート９０２に示すように、シリンダー１１内の横渦の中心が、平面視でシリンダー１１の中央部において、シリンダー１１の軸に沿って存在する場合は、圧縮行程後半でも横渦の中心が軸付近に位置する。シリンダー１１内における乱流度合いも、シリンダー１１内の全体において均等又は略均等である。シリンダー１１の中央部において、点火プラグ２５が混合気に点火すると、火炎は、チャート９０５に破線の矢印で示すように、横渦によって周方向に曲げられながら、シリンダー１１内の中央部から周辺部へと伝播する。火炎は、シリンダー１１内の中央付近から周辺部へ、均等又は略均等に伝播する。火炎の伝播は、シリンダー１１内の乱流によって促進されるから、燃焼速度は、比較的速い。

【0114】

チャート９０１に示すように、横渦の中心の位置が、平面視で排気バルブ側に傾いている場合は、横渦の中心とシリンダー１１の中心とがずれる。シリンダー１１内における乱流度合いは、シリンダー１１内の全体において不均等になる。また、圧縮行程の後半の圧縮上死点付近において、シリンダー１１の中央部において、点火プラグ２５が混合気に点火すると、火炎は、チャート９０４に破線の矢印で示すように、横渦によって周方向に曲げられながら、シリンダー１１内の中央部から周辺部へと伝播する。このとき、横渦の中心から離れるほど、横渦の流速が速くなる（チャート９０４の同心円参照）。つまり、横渦の中心から遠い吸気バルブ側は相対的に横渦の流速が速い。シリンダー１１の中央部から排気バルブ側へと伝播する火炎は、周方向に曲げられながら径方向の外方へ伝播する一方、シリンダー１１の中央部から吸気バルブ側へと伝播する火炎は、横渦の速い流速によって強く曲げられる結果、径方向の外方へ伝播しにくくなる。その結果、チャート９０４に一点鎖線で示すように、吸気バルブ側の領域が、火炎伝播しにくい領域となる。この場合は、チャート９０５の場合と比較して、燃焼速度が遅くなる。

【0115】

チャート９０３に示すように、横渦の中心の位置が、平面視で吸気バルブ側に傾いている場合も、横渦の中心と、シリンダー１１の中心とがずれる。シリンダー１１内における乱流度合いは、シリンダー１１内の全体において不均等になる。また、圧縮行程の後半の圧縮上死点付近において、シリンダー１１の中央部において、点火プラグ２５が混合気に点火すると、火炎は、チャート９０６に破線の矢印で示すように、横渦によって周方向に曲げられながら、シリンダー１１内の中央部から周辺部へと伝播する。このとき、シリンダー１１の中央部から吸気バルブ側に向かう方向は、実線の矢印で示す反時計回りの横渦の流れに対向する方向となる。その結果、シリンダー１１の中央部から排気バルブ側へと伝播する火炎は、周方向に曲げられながら径方向の外方へ伝播する一方、シリンダー１１の中央部から吸気バルブ側へと伝播する火炎は、横渦の流れに押し戻される結果、径方向の外方へ伝播しにくくなる。チャート９０６に一点鎖線で示すように、吸気バルブ側の領域が、火炎伝播しにくい領域となる。この場合も、チャート９０５の場合と比較して、燃焼速度が遅くなる。

【0116】

図１０は、点火装置７が検出する放電時間と、シリンダー１１内における横渦の中心位置との関係を示している。図１０のチャート１０００は、放電時間と、点火プラグ２５付近の流速との関係を示している。

【0117】

スワール流の形成のため、吸気は、主に第１吸気通路１８ａからシリンダー１１内に流入する。図１０のチャート１００２に示すように、主に第１吸気通路１８ａから流入する吸気によって、吸気行程におけるシリンダー１１内には流速分布が生じる。吸気行程における速度分布が同図に例示するような分布、つまり、シリンダー１１の中央部とライナーとの間の所定の径方向位置において流速最大となり、そこから中央部に向かうに従い流速が低下しかつ、ライナーに向かうに従い流速が低下するような分布であれば、横渦の中心はシリンダー１１の中央部付近において、軸に沿うようになる。この場合、点火プラグ２５付近の流速は、Ｖ３とＶ４との間になる。

【0118】

一方、チャート１００１に示すように、吸気行程において、ライナー付近の流速が極端に高い流速分布になると、横渦の中心は、排気バルブ側へ傾く。この場合、点火プラグ２５付近の流速は、Ｖ４よりも遅くなる。

【0119】

また、チャート１００３に示すように、吸気行程における流速分布において最大流速が比較的に低く、流速分布の尖度が低い場合、横渦の中心は、吸気バルブ側へ傾く。この場合、点火プラグ２５付近の流速は、Ｖ３よりも速くなる。

【0120】

主としてスワール流によりシリンダー１１内に形成される横渦は、吸気バルブ２１が開弁したのち、閉弁するまでの吸気行程において、安定化する。点火装置７は、吸気行程において、点火プラグ２５に放電（後述する第１放電）させ、その放電時間（後述する第１放電時間）を検出する。より詳細には、吸気バルブ２１が開弁した瞬間から所定期間は、吸気の流動は、ばらつきやすい。吸気バルブ２１の開弁から所定時間が経過したのち、吸気バルブ２１が閉弁するまでにおいて、横渦は安定化する。点火装置７は、吸気バルブ２１の開弁から所定時間（後述する時定数Δｔ）が経過したのち、点火プラグ２５に放電させ、その放電時間を検出する。

【0121】

判定部８３は、放電時間が、速度Ｖ３に対応する第１閾値よりも短い場合は、横渦の中心位置が吸気バルブ側へ傾いていると推定でき、放電時間が、速度Ｖ４に対応する第２閾値よりも長い場合は、横渦の中心位置が排気バルブ側へ傾いていると推定でき、放電時間が第１閾値と第２閾値との間の場合は、横渦の中心位置が、シリンダー１１の中央部において、シリンダー１１の軸に沿っていると推定できる。尚、第１閾値に対応する速度Ｖ３と、前記の速度Ｖ１とは同じとは限らない。同様に、第２閾値に対応する速度Ｖ４と、前記の速度Ｖ２とは同じとは限らない。

【0122】

（補助燃料の噴射制御）
図１１は、インジェクタ６による燃料噴射、及び、点火プラグ２５による、放電及び点火のタイミングを例示するタイミングチャートである。図１１の左から右にクランク角は進む。

【0123】

前述したように、吸気流動のばらつきによって、縦渦、及び／又は、横渦の中心位置がずれると、シリンダー１１内において、乱流度合いが弱くなる領域、及び／又は、火炎が伝播しにくい領域が発生する。補助燃料は、こうした乱流度合いが弱くなる領域、及び／又は、火炎が伝播しにくい領域に、局所的に燃料濃度の高い混合気を配置し、それによって、当該特定領域への火炎伝播を促進させる。

【0124】

先ず、主燃料噴射部８１は、吸気バルブ２１が開弁した後、吸気バルブ２１が閉弁するまでの吸気行程の期間において、インジェクタ６を通じて主燃料をシリンダー１１内に噴射させる（主燃料噴射１１０４参照）。主燃料は、流動によってシリンダー１１内に拡散し、シリンダー１１内に混合気を形成する。

【0125】

チャート１１０２に示すように、判定部８３は、点火装置７及び点火プラグ２５に、吸気バルブ２１が開弁してから、所定の時定数Δｔが経過した後の吸気行程期間において、第１放電１１０５を実行させる。第１放電１１０５は、混合気が着火しない期間に行われる放電である。点火装置７は、第１放電に対応する第１放電時間を検出する。判定部８３は、第１放電１１０５の際に検出された第１放電時間から、横渦の中心位置を推定する。

【0126】

判定部８３はまた、点火装置７及び点火プラグ２５に、吸気バルブ２１が閉弁したのちの、圧縮行程における、例えば前半に第２放電１１０６を実行させる。第２放電１１０６も、混合気が着火しない期間に行われる放電である。点火装置７は、第２放電に対応する第２放電時間を検出する。判定部８３は、第２放電１１０６の際に検出された第２放電時間から、縦渦の中心位置を推定する。

【0127】

点火装置７が検出した第１放電時間、及び、第２放電時間が共に、第１閾値と第２閾値との間である場合、縦渦の中心位置がシリンダー１１におけるピストン３と天井部との中間に位置しかつ、横渦の中心位置がシリンダー１１の中央部において、シリンダー１１の軸に沿っている。この場合、補助燃料の噴射が不要である。図１１のチャート１１０２に示すように、補助燃料噴射部８４は、補助燃料の噴射を中止し、主点火制御部８２は、点火プラグ２５を用いて、圧縮行程後半の、圧縮上死点付近における所定のタイミングで、混合気に点火する（図１１の主点火１１０７参照）。この場合、横渦及び縦渦の中心位置が、シリンダー１１の中央部に位置しているから、乱流度合いは、シリンダー１１内の全体において均等又は略均等である。火炎は、シリンダー１１の中央部から周辺部に向かって均等又は略均等に伝播する。燃焼速度は比較的速い。

【0128】

次に、点火装置７が検出した第２放電時間が第１閾値よりも小さい（第２放電時間が第１閾値よりも短い）場合について説明する。この場合、縦渦の中心位置は、シリンダー１１におけるピストン３に近い位置であり、圧縮行程の後半には、シリンダー１１内に正一方向流動が生じる。図１１のチャート１１０１に示すように、補助燃料噴射部８４は、インジェクタ６に、所定量の補助燃料、つまり、第１補助燃料１１０８を噴射させる。インジェクタ６は、例えば圧縮行程の前半又は圧縮行程の後半の第１噴射時期において、第１補助燃料１１０８を噴射する。

【0129】

図１２は、縦渦の中心位置が、シリンダー１１におけるピストン３に近い位置にある場合における、シリンダー１１内の流動の変化と第１補助燃料の分布とを説明する図である。前述したように、縦渦の中心位置がピストン３の付近に位置している場合、Ｐ１２０１、Ｐ１２０２、Ｐ１２０３、Ｐ１２０４とピストン３が上昇するに従い、渦の中心がピストン３の頂面に当たることにより縦渦の下半分が潰れ、Ｐ１２０５に黒色矢印で示すように、圧縮行程の後半におけるシリンダー１１内の流動が、吸気バルブ２１から排気バルブ２２に向かう方向の正一方向流動となる。

【0130】

圧縮行程の相対的に早いタイミング（Ｐ１２０３）でシリンダー１１内に噴射された第１補助燃料は、シリンダー１１内の圧力がそれほど高くないため、渦が潰れる前に、縦渦に乗って、排気バルブ側から吸気バルブ側へと運ばれる（Ｐ１２０３、Ｐ１２０４、Ｐ１２０５のハッチングを付した箇所を参照）。その結果、吸気バルブ付近に濃い混合気を配置することができる。

【0131】

第１補助燃料１１０８の噴射後、主点火制御部８２は、点火プラグ２５を用いて、圧縮行程後半の、圧縮上死点付近における所定のタイミングで、混合気に点火する（チャート１１０１の主点火１１０７参照）。正一方向流動によって、火炎は、吸気バルブ側へ伝播しにくいが、吸気バルブ側の混合気の燃料濃度が高いため、吸気バルブ側への火炎伝播が促進される。その分、燃焼速度が高くなり、燃焼速度は、放電時間が第１閾値と第２閾値との間である場合と同程度に高まる。よって、エンジン１の燃焼変動が抑制される。

【0132】

次に、点火装置７が検出した第２放電時間が第２閾値よりも大きい（第２放電時間が第２閾値よりも長い）場合について説明する。この場合、縦渦の中心位置は、シリンダー１１における天井部に近い位置であり、圧縮行程の後半には、シリンダー１１内に反一方向流動が生じる。図１１のチャート１１０３に示すように、補助燃料噴射部８４は、インジェクタ６に、所定量の補助燃料、つまり、第２補助燃料１１０９を噴射させる。インジェクタ６は、圧縮行程の後半の第２噴射時期において、第２補助燃料１１０９を噴射する。第２補助燃料１１０９の噴射時期は、第１補助燃料１１０８の噴射時期よりも遅い。

【0133】

図１３は、縦渦の中心位置が、シリンダー１１における天井部に近い位置にある場合における、シリンダー１１内の流動の変化と第２補助燃料の分布とを説明する図である。前述したように、縦渦の中心位置が天井部付近に位置している場合、Ｐ１３０１、Ｐ１３０２、Ｐ１３０３、Ｐ１３０４とピストン３が上昇するに従い、渦の中心が天井部に当たることにより縦渦の上半分が潰れ、Ｐ１３０５に黒色の矢印で示すように、圧縮行程の後半におけるシリンダー１１内の流動が、排気バルブ２２から吸気バルブ２１に向かう方向の反一方向流動となる。

【0134】

インジェクタ６は、圧縮行程の後半に第２補助燃料を噴射する（Ｐ１３０４参照）。圧縮行程の後半はシリンダー１１内の圧力が高いため、シリンダー１１内に噴射された第２補助燃料は、その強い圧縮圧を受けて、シリンダー１１内の中央部に留まると共に、相対的に流動が弱い排気バルブ側へ流れる（Ｐ１３０４、Ｐ１３０５のハッチングを付した箇所を参照）。その結果、排気バルブ付近に濃い混合気を配置することができる。

【0135】

第２補助燃料１１０９の噴射後、主点火制御部８２は、点火プラグ２５を用いて、圧縮行程後半の、圧縮上死点付近における所定のタイミングで、混合気に点火する（チャート１１０３の主点火１１０７参照）。反一方向流動によって、火炎は、排気バルブ側へ伝播しにくいが、排気バルブ側の混合気の燃料濃度が高いため、排気バルブ側への火炎伝播が促進される。その分、燃焼速度が高くなり、燃焼速度は、放電時間が第１閾値と第２閾値との間である場合と同程度に高まる。よって、エンジン１の燃焼変動が抑制される。

【0136】

従って、シリンダー１１内における流動状態に応じて、補助燃料の噴射を行うことにより、吸気流動の状態がサイクル毎にばらついて、縦渦の中心位置がばらついても、ＥＣＵ１０は、燃焼速度を同じ、又は、略同じにすることができるから、燃焼変動が抑制できる。

【0137】

次に、点火装置７が検出した第１放電時間が第１閾値よりも小さい（第１放電時間が第１閾値よりも短い）場合について説明する。この場合、横渦の中心位置は、シリンダー１１における吸気バルブ側に傾いている。図１１のチャート１１０１に示すように、補助燃料噴射部８４は、インジェクタ６に、所定量の補助燃料、つまり、第１補助燃料１１０８を噴射させる。インジェクタ６は、例えば圧縮行程の前半又は圧縮行程の後半の第１噴射時期において、第１補助燃料１１０８を噴射する。

【0138】

図１４のＰ１４０１及びＰ１４０２は、横渦の中心位置が吸気バルブ側に傾いている場合における、シリンダー１１内の流動の変化と、第１補助燃料の分布とを説明する図である。横渦の中心が吸気バルブ側に傾いている場合、Ｐ１４０１に例示するように、圧縮行程におけるシリンダー１１内の速度分布は、流速分布の尖度が低いため、極端に速い流速の箇所は存在しない。

【0139】

第２放電後の、圧縮行程の前半又は後半において、シリンダー１１内の中央部から放射状に噴射された第１補助燃料は、流れに乗って周方向に搬送される。補助燃料の噴射のタイミングが相対的に進角しているため、排気バルブ側へ噴射された補助燃料の噴霧は、点火タイミングまでの長い時間を利用して、吸気バルブ側まで運ばれる。その結果、点火タイミング（Ｐ１４０２）において、吸気バルブ側の混合気の燃料濃度が高まる。

【0140】

第１補助燃料の噴射後、主点火制御部８２は、点火プラグ２５を用いて、圧縮行程後半の、圧縮上死点付近における所定のタイミングで、混合気に点火する（チャート１１０１の主点火１１０７参照）。前述したように、火炎は、中心位置がずれた横渦によって、径方向の外方への伝播が妨げられる結果、吸気バルブ側へ伝播しにくいが、吸気バルブ側の混合気の燃料濃度が高いため、吸気バルブ側への火炎伝播が促進される。その分、燃焼速度が高くなり、燃焼速度は、放電時間が第１閾値と第２閾値との間である場合と同程度に高まる。エンジン１の燃焼変動が抑制される。

【0141】

次に、点火装置７が検出した第１放電時間が第２閾値よりも大きい（第１放電時間が第２閾値よりも長い）場合について説明する。この場合、横渦の中心位置は、シリンダー１１における排気バルブ側に傾いている。図１１のチャート１１０３に示すように、補助燃料噴射部８４は、インジェクタ６に、所定量の補助燃料、つまり、第２補助燃料１１０９を噴射させる。インジェクタ６は、圧縮行程の後半の第２噴射時期において、第２補助燃料１１０９を噴射する。第２補助燃料１１０９の噴射時期は、第１補助燃料１１０８の噴射時期よりも遅い。

【0142】

図１４のＰ１４０３及びＰ１４０４は、横渦の中心位置が排気バルブ側に傾いている場合における、シリンダー１１内の流動の変化と、第２補助燃料の分布とを説明する図である。横渦の中心が排気バルブ側に傾いている場合、Ｐ１４０３に例示するように、圧縮行程後半におけるシリンダー１１内の速度分布は、ライナー付近において極端に速い流速が存在する。

【0143】

圧縮行程の後半の遅いタイミングにおいて、シリンダー１１内の中央部から放射状に噴射された第２補助燃料の内、吸気バルブ側に噴射された補助燃料は、遅い流速の流れに乗ることで移動量が少なく、吸気バルブ側に留まる。一方、排気バルブ側に噴射された補助燃料は、速い流速の流れに乗ることで、周方向に、速やかに吸気バルブ側まで運ばれる。その結果、点火タイミング（Ｐ１４０４）において、補助燃料の噴霧が重なり合い、吸気バルブ側の混合気の燃料濃度が高まる。

【0144】

第２補助燃料１１０９の噴射後、主点火制御部８２は、点火プラグ２５を用いて、圧縮行程後半の、圧縮上死点付近における所定のタイミングで、混合気に点火する（チャート１１０３の主点火１１０７参照）。前述したように、火炎は、中心位置がずれた横渦によって伝播方向が曲げられる結果、吸気バルブ側へ伝播しにくいが、吸気バルブ側の混合気の燃料濃度が高いため、吸気バルブ側への火炎伝播が促進される。その分、燃焼速度が高くなり、燃焼速度は放電時間が第１閾値と第２閾値との間である場合と同程度に高まる。よって、エンジン１の燃焼変動が抑制される。

【0145】

従って、シリンダー１１内における流動状態に応じて、補助燃料の噴射を行うことにより、吸気流動の状態がサイクル毎にばらついて、横渦の中心位置がばらついても、ＥＣＵ１０は、燃焼速度を同じ、又は、略同じにすることができるから、エンジン１の燃焼変動が抑制できる。

【0146】

尚、第１放電、第２放電、及び、主点火のそれぞれにおいて、点火プラグ２５に付与されるエネルギは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

【0147】

（エンジンの制御装置の制御手順）
次に、図１５のフローチャートを参照しながら、前述したエンジン１の制御装置の制御手順を説明する。先ずステップＳ１において、ＥＣＵ１０は、各センサＳＷ１～ＳＷ９のセンサ値を取得する。続くステップＳ２において、取得したセンサ値に基づいて、ＥＣＵ１０は、エンジン１の要求トルクを算出する。ＥＣＵ１０は、ステップＳ３において、要求トルクを満たすための、主噴射の噴射量及びその噴射時期を決定する。また、ＥＣＵ１０は、主点火時期を決定する。

【0148】

ステップＳ４においてＥＣＵ１０は、第１放電、及び、第２放電の時期を決定する。このステップにおいてＥＣＵ１０は、第１放電を実行する際の時定数Δｔも定める。ＥＣＵ１０は、例えばエンジン１の運転状態、つまりエンジン１の負荷、及び／又は、回転数に応じて、時定数Δｔを調整してもよい。

【0149】

続くステップＳ５において、ＥＣＵ１０は、ステップＳ３において決定した噴射量、及び、噴射タイミングに従って、インジェクタ６に、主噴射１１０４を実行させる。図１１に例示したように、インジェクタ６は、吸気行程の期間中に、主噴射１１０４を行う。

【0150】

ステップＳ６においてＥＣＵ１０は、点火装置７に第１放電１１０５を実行させる。点火装置７は、吸気行程の期間に、第１放電１１０５を実行すると共に、その第１放電時間を検出する。また、ステップＳ７においてＥＣＵ１０は、点火装置７に第２放電１１０６を実行させる。点火装置７は、圧縮行程の前半に、第２放電１１０６を実行すると共に、その第２放電時間を検出する。

【0151】

ステップＳ８においてＥＣＵ１０は、第１放電時間が第１閾値よりも小さいか、また、第２放電時間が第１閾値よりも小さいか、を判断する。ステップＳ８の判断がＹＥＳの場合、プロセスはステップＳ１０に進む。ステップＳ８の判断がＮＯの場合、プロセスはステップＳ９に進む。

【0152】

ステップＳ９においてＥＣＵ１０は、第１放電時間が第２閾値よりも大きいか、また、第２放電時間が第２閾値よりも大きいか、判断する。ステップＳ９の判断がＹＥＳの場合、プロセスはステップＳ１１に進む。ステップＳ９の判断がＮＯの場合、プロセスはステップＳ１３に進む。つまり、ステップＳ９の判断がＮＯの場合、補助燃料は噴射されない。

【0153】

ステップＳ１０においてＥＣＵ１０は、第１補助燃料１１０８の噴射量、及び、噴射時期を決定する。第１補助燃料１１０８の噴射時期は、前述したように、第２補助燃料１１０９の噴射時期よりも進角側である。ステップＳ１１においてＥＣＵ１０は、第２補助燃料１１０９の噴射量、及び、噴射時期を決定する。第２補助燃料１１０９の噴射時期は、第１補助燃料１１０８の噴射時期よりも遅角側である。第１補助燃料１１０８の噴射量及び噴射時期、並びに、第２補助燃料１１０９の噴射量及び噴射時期は、エンジン１の運転状態に応じて決定すればよい。

【0154】

補助燃料の噴射量及び噴射時期を決定すれば、ＥＣＵ１０は、次のステップＳ１２において、補助燃料の噴射を、圧縮行程の前半又は後半（第１補助燃料１１０８の場合）、又は、圧縮行程の後半（第２補助燃料１１０９の場合）に実行し、ステップＳ１３において、ＥＣＵ１０は、点火プラグ２５を用いて混合気に点火する。

【0155】

尚、補助燃料の噴射量は、例えば排出ガス性能が悪化しない程度に抑えることが好ましい。補助燃料の噴射量を少なくすることによって、排出ガス性能を良好に維持できると共に、燃費の悪化を抑制できる。

【0156】

インジェクタ６は、吸気行程中に主燃料を噴射することに限らず、圧縮行程中に主燃料を噴射してもよい。点火プラグ２５は、第１放電を、主燃料の噴射よりも後に行ってもよいし、主燃料の噴射よりも前に行ってもよい。同様に、点火プラグ２５は、第２放電を、主燃料の噴射よりも後に行ってもよいし、主燃料の噴射よりも前に行ってもよい。

【0157】

また、ここに開示する技術が適用可能なエンジン１は、前述した構成に限らず、様々な構成のエンジンに、ここに開示する技術は適用可能である。

【符号の説明】

【0158】

１ エンジン
１０ ＥＣＵ（制御器）
１１ シリンダー
１３１１ 傾斜面（天井部）
１３１２ 傾斜面（天井部）
２５ 点火プラグ
６ インジェクタ（燃料噴射弁）
７ 点火装置
８１ 主燃料噴射部
８２ 主点火制御部
８３ 判定部
８４ 補助燃料噴射部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】