JP2004108218A - 多気筒エンジンの制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧縮着火燃焼モードを有する多気筒エンジンにおいて、圧縮着火燃焼モード時に、エンジンや構成部品の個体ばらつきや劣化などに起因する気筒間およびサイクル間での燃焼ばらつきを抑えることができる多気筒エンジンの制御装置及び制御方法を提供する。
【解決手段】圧縮着火燃焼モードを有する多気筒エンジンにおいて、好ましくはシリンダブロックもしくはシリンダヘッドに設けられる振動検出センサなどで周波数を検出、これを適正に解析することにより、各気筒の筒内圧力ピーク値、およびピーク時期をそれぞれ検出または推定する。これらがそれぞれ適正な範囲に収まるように、内部ＥＧＲ量、燃料噴射条件、エンジン回転数などを制御する。
【選択図】 図１
【解決手段】圧縮着火燃焼モードを有する多気筒エンジンにおいて、好ましくはシリンダブロックもしくはシリンダヘッドに設けられる振動検出センサなどで周波数を検出、これを適正に解析することにより、各気筒の筒内圧力ピーク値、およびピーク時期をそれぞれ検出または推定する。これらがそれぞれ適正な範囲に収まるように、内部ＥＧＲ量、燃料噴射条件、エンジン回転数などを制御する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多気筒エンジンの制御装置及び制御方法に係り、特に、圧縮着火燃焼モード運転時の気筒間の着火燃焼ばらつきを好適に抑制する多気筒エンジンの制御装置及び制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
予混合気を圧縮して自己着火させる燃焼方式の多気筒エンジン、いわゆる、予混合圧縮着火燃焼方式多気筒エンジンにおいては、高効率でかつ広い運転領域において自己着火燃焼が行えるように、該エンジンを好適に制御することが望まれている。例えば、特開２０００−３２０３３３号公報に所載の技術は、吸排気弁のバルブタイミング制御により、気筒内に密閉期間（マイナスオーバーラップ）を設け、運転条件に応じて、このマイナスオーバーラップ期間と燃料噴射タイミングを制御することで、混合気の自己着火燃焼を制御するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記公報に所載の技術は、エンジンの運転条件に応じて、該エンジンの構成機器を制御するものであるので、例えば、機器に個体ばらつきがあったり劣化等が発生すると、同じ運転条件であっても、気筒間およびサイクル間で着火時期や燃焼状態に変化が生じるような現象がある。この現象の影響で、エンジンの過早着火や失火などが一つ以上の気筒で起こる虞があり、その結果、エンジンの燃費や排気状態が大幅に悪化してしまうという問題が生じることがある。
【０００４】
一般に知られている火花点火式の多気筒（ガソリン）エンジンは、点火プラグによる着火時期の設定しその後の制御を行うものであり、ディーゼルエンジンも、燃料噴霧により着火時期を設定しその後の燃焼制御を行うものであるので、共に着火のためのトリガを備え、非常に強力かつロバスト性の高い燃焼制御が可能であることから、回転センサ等を用いた失火診断など一部の制御を除いて、気筒別に詳細な燃焼状態を知り、その燃焼状態に基づいて燃焼制御を行う必要性に乏しかった。
【０００５】
しかし、予混合圧縮着火燃焼方式多気筒エンジンにおいては、燃料と空気の予混合気をピストン圧縮によって自己着火を行うことを前提としているため、前記エンジンの如く、強力な着火トリガなく、かつ燃焼期間も前記エンジン（火花点火エンジン等）に比べて短いものになっている。このことが高効率かつ低排気運転を可能にするが、その反面、筒内構造のわずかなばらつきが燃焼状態に大きく影響し、そのことが結果として燃費や排気を悪化させる要因となっている。このことは、多気筒の全気筒を同じ条件に制御していても、正常に燃焼していない気筒があるものと推定されるものであり、本出願人の実験によってもそのことが確認されている。
【０００６】
本発明は、前記の如き課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、圧縮着火燃焼モード運転を有する多気筒エンジンにおいて、圧縮着火燃焼モード時に、エンジンや構成部品の個体ばらつきや劣化などに起因する気筒間およびサイクル間での燃焼ばらつきを抑えることができる多気筒エンジンの制御装置及び制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するべく、本発明の多気筒エンジンの制御装置は、基本的には、圧縮着火燃焼もしくは該圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換え可能な多気筒エンジンに適用するものであって、各気筒別の燃焼状態を推定する気筒別燃焼状態推定手段と、前記各気筒別の燃焼状態を制御する燃焼状態制御手段と、を備え、該燃焼状態制御手段は、圧縮着火燃焼モード運転時に、該モード運転時の前記気筒別燃焼状態推定手段の前記燃焼状態の推定に基づいて、前記各気筒別に燃焼状態を制御することを特徴としている。
【０００８】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成によって、圧縮着火燃焼モード運転時に、各気筒別の燃焼状態を推定することができ、気筒別の燃焼状態の推定に基づいて、各気筒別に燃焼制御を行うことができるので、多気筒エンジンの構成機器に製造ばらつきや劣化が生じても、該製造ばらつきや劣化を踏まえた最良の各気筒別の燃焼制御を行うことで、気筒間やサイクル間での燃焼ばらつきを改善でき、結果として、エンジンの燃費・排気特性に優れた圧縮着火燃焼を実現できる。
【０００９】
また、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の態様としては、前記気筒別燃焼状態推定手段が、前記各気筒の筒内圧力のピーク値と該筒内圧力のピーク時期とを推定するものであり、前記燃焼状態制御手段が、前記各気筒の筒内圧力の前記ピーク値が所定範囲内、及び／又は、前記ピーク時期がピストン上死点後の所定期間内になるように制御することを特徴とし、前記燃焼状態制御手段が、前記多気筒エンジンの運転条件、前記多気筒エンジンを搭載した装置の運転状態、前記装置のユーザのユーザ意図等に基づいて、更に、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼との切り換え等を含む他の燃焼状態を制御することを特徴としている。
【００１０】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成によって、圧縮着火燃焼モード運転時の各気筒内の燃焼状態を各別に正確に推定できる。即ち、圧縮着火燃焼モード時に適正な燃焼が行なわれている場合には、筒内圧力のピーク時期が、熱発生のピーク時期と上死点後のある時期で同じになるため、筒内圧ピーク値とピーク時期とを検出することで、各気筒内の燃焼状態を推定することができる。このピーク時期は、運転条件にもよるが上死点後０°〜１０°以内のある範囲にあれば、高効率の運転をすることができる。
【００１１】
更に、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の具体的な態様としては、前記気筒別燃焼状態推定手段は、前記多気筒エンジンのシリンダブロック、もしくは、シリンダヘッドに設けた振動検出センサの信号、前記多気筒エンジンの出力軸に直接またはギアを介して接続する少なくとも一つの回転電動機からに信号、あるいは、前記多気筒エンジンの少なくとも１つの気筒に設けた筒内圧力センサからの信号に基づいて燃焼状態を推定することを特徴としている。
【００１２】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成のように、振動検出センサを用いることによって、一つの振動検出センサの信号である周波数を適正に解析することにより、各気筒別の筒内の圧力ピーク値、及び、ピーク時期を個々に推定することができ、結果として、圧縮着火燃焼モード運転での各気筒別の燃焼状態を低コストで、かつ、適正に推定することができる。また、多気筒エンジンの出力軸に直接またはギアを介して接続する回転電動機を用いることによって、圧縮着火燃焼モード運転中のエンジントルクを高精度に検出できるため、これによって各気筒の燃焼状態を推定することができる。更に、筒内圧力センサを用いることによって、各気筒の筒内圧力を気筒別に直接に高精度に検出することができるので、該筒内圧力状態から筒内の燃焼状態を的確に推定することができる。
【００１３】
更にまた、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の具体的な態様としては、前記燃焼状態制御手段が、吸気弁および排気弁のバルブタイミング及びバルブリフト量のうち少なくともどれか一つを変化させて内部ＥＧＲ量を変化させる可変バルブ機構と、前記多気筒エンジンの燃焼室に直接または間接的に燃料を噴射する燃料噴射装置と、前記多気筒エンジンの出力軸トルクを車両の動力伝達系に変速比を調整して伝達する変速機と、の少なくとも一つを制御することを特徴としている。
【００１４】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成とすることによって、気筒別燃焼状態推定手段の推定結果に基づいて、各気筒の燃焼状態に変更が必要となった場合には、前記燃焼状態制御手段の指令に基づいて、前記可変バルブ機構、前記燃焼噴射装置、及び、前記変速機を単独、又は、協調制御することにより、圧縮着火燃焼モード運転時の各気筒の筒内圧力ピーク値、及び、ピーク時期を適正な範囲となるように燃焼状態の制御を行うことができる。
【００１５】
更にまた、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の具体的な態様としては、前記燃焼状態制御手段は、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の前記筒内圧力のピーク値が所定値より低いか、もしくは、前記筒内圧力のピーク時期が所定時期より遅いと推定された場合に、前記可変バルブ機構によりマイナスオーバーラップ量を増して内部ＥＧＲ量を増加させる制御、及び／又は、前記変速機により変速比を制御してエンジン回転数を減少させる制御を行うことを特徴とし、更に、前記燃焼状態制御手段は、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記気筒の内の少なくとも一つの気筒の筒内圧力のピーク値が所定値より高いか、もしくは、ピーク時期が所定時期より早いと推定された場合に、前記可変バルブ機構によりマイナスオーバーラップ量を減じて内部ＥＧＲ量を減少させる制御、及び／又は、前記変速機により変速比を制御してエンジン回転数を増加させる制御を行うことを特徴としている。
【００１６】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成とすることによって、各気筒の筒内圧力ピーク値およびピーク時期を適正に制御できるので、圧縮着火燃焼モード運転時の各気筒間及びサイクル間での燃焼ばらつきを抑えて、エンジンの燃費・排気特性に優れた圧縮着火燃焼を実現できる。
【００１７】
即ち、各気筒のピーク時期が所定範囲の時期より早いか遅いかを判定し、ピーク時期が早い場合には、可変バルブを用いて内部ＥＧＲ量を増加し、全気筒の混合気の着火性を向上、すなわち着火時期を早期化し、エンジン回転数が比較的高回転（２０００回転以上）である場合には、内部ＥＧＲ増加に伴う吸入空気量減少で圧縮着火燃焼成立しない場合があるので、変速機でエンジン回転数を若干減少し、一サイクル当たりの燃料量を増加することで着火性を向上させることができる。また、ピーク時期が遅いと判定される場合には、可変バルブを用いて内部ＥＧＲ量を減少させ、全気筒の着火時期を遅延化することができる。この時、変速機によりエンジン回転数を若干増加させ、一サイクルあたりの燃料量を減少することで、出力同等となるように制御してもよい。
【００１８】
次に、各気筒のピーク値が所定範囲外にある否かを判定して、ピーク値が低い場合には、可変バルブを用いて内部ＥＧＲ量を増加し、全気筒の混合気の着火性を向上することで、燃焼による熱発生が起こりやすい状態とすると共に、エンジン回転数が比較的高回転（２０００回転以上）である場合は、内部ＥＧＲ増加に伴う吸入空気量減少で圧縮着火燃焼成立しない場合があるので、変速機でエンジン回転数を若干減少させ、一サイクルあたりの燃料量を増加することで着火性を向上させ、出力同等となるように制御することができる。
【００１９】
更にまた、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の具体的な態様としては、前記燃焼状態制御手段は、前記燃料噴射装置から各気筒に供給される１サイクル当たりの燃料量を増加させるか、又は、燃料量を減少させることを特徴とし、更に、前記燃料噴射装置は、筒内に直接燃料噴射する方式であり、前記燃焼状態制御手段は、前記圧縮着火着火燃焼モード時に前記可変バルブ機構によるマイナスオーバーラップ期間中に少なくとも１度の燃料噴射を行うべく制御するものであり、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の前記筒内圧力のピーク値が所定値より低いか、もしくは、前記筒内圧力のピーク時期が所定時期より遅いと推定された場合は、前記マイナスオーバーラップ期間中に前記燃料噴射装置から前記気筒内に噴射する燃料量を増加する制御を行うか、又は、前記気筒の内の少なくとも一つの気筒の筒内圧力のピーク値が所定値より高いか、もしくは、ピーク時期が所定時期より早いと推定された場合は、前記マイナスオーバーラップ期間中に前記燃料噴射装置から前記気筒内に噴射する燃料量を減少する制御を行うことを特徴としている。
【００２０】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成とすることによって、燃料噴射方式で筒内に直接燃料を噴射をする場合には、運転条件に応じて噴射時期などを変化させることにより、混合気状態を任意に制御可能であり、燃料噴射を複数回に分けて、マイナスオーバーラップ期間中に噴射して燃料の一部をラジカル化する方式で適用し、これを気筒毎に噴射割合を変化させることで、気筒間の燃焼ばらつきを抑制することができる。
【００２１】
更にまた、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の具体的な態様としては、前記制御装置は、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、少なくとも一つの気筒の筒内圧力のピーク値が所定範囲外、もしくは、該筒内圧力のピーク時期が所定期間外であると推定される場合は、前記多気筒エンジンにおける圧縮着火燃焼モード運転を禁止するか、もしくは、火花点火燃焼モード運転に切り換えることを特徴とし、前記圧縮着火燃焼モードを禁止した場合は、前記多気筒エンジンを搭載した装置のユーザに警告することを特徴としている。
【００２２】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成とすることによって、燃焼状態制御を行っても、気筒の筒内圧力のピーク値が所定範囲内でない場合や該筒内圧力のピーク時期が所定期間内でない場合には、機器の劣化や故障などにより、圧縮着火燃焼モード状態での高効率かつ低排気のエンジン運転ができなくなる可能性があるので、この場合には、圧縮着火燃焼モード運転を禁止して運転を中止するか、もしくは、火花点火燃焼モード運転に切り換えると共に、ユーザに高効率運転ができない旨を報知してユーザの認識を喚起することができる。
【００２３】
一方、本発明の多気筒エンジンの制御方法は、基本的には、圧縮着火燃焼制御もしくは該圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換え制御する多気筒エンジンの制御方法であって、前記圧縮着火燃焼モード運転時に、各気筒別に、前記モード運転時の燃焼状態を推定し、該各気筒別に推定した燃焼状態に基づいて、前記各気筒をその気筒別に燃焼状態の制御し、前記多気筒エンジンの運転条件、前記多気筒エンジンを搭載した装置の運転状態、前記装置のユーザのユーザ意図等に基づいて、更に、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼との切り換え等を含む他の燃焼状態の制御を行うことを特徴としている。
【００２４】
また、本発明の多気筒エンジンの制御方法の具体的な態様は、前記気筒別の燃焼状態の推定は、前記各気筒の筒内圧力のピーク値と該筒内圧力のピーク時期とを推定するものであり、前記燃焼状態の制御は、前記各気筒の筒内圧力の前記ピーク値が所定範囲内、及び／又は、前記ピーク時期がピストン上死点後の所定期間内になるように制御をすることを特徴としている。
【００２５】
更に、本発明の多気筒エンジンの制御方法の他の具体的な態様は、前記各気筒の筒内圧力は、前記多気筒エンジンの振動周波数を検出し、該振動周波数を解析した値、又は、前記多気筒エンジンの少なくとも１つの気筒に設けた筒内圧力センサの値であることを特徴としている。
【００２６】
更にまた、本発明の多気筒エンジンの制御方法の他の具体的な態様は、圧縮着火燃焼制御もしくは該圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換え制御する多気筒エンジンの制御方法であって、前記圧縮着火燃焼モード運転時に、各気筒別に、前記モード運転時の燃焼状態を推定し、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の前記筒内圧力のピーク値が所定値より低いか高いか、もしくは、前記筒内圧力のピーク時期が所定時期より遅いか早いかの内、少なくともいすれか一つが推定された場合に、前記気筒の可変バルブ機構によりマイナスオーバーラップ量を増減して内部ＥＧＲ量を増減させて燃焼状態の制御をし、更に、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の筒内圧力ピーク値が所定値より低いか高いか、もしくは、ピーク時期が所定時期より遅いか早いかの内、少なくともいすれか一つが推定された場合に、変速機により変速比を制御してエンジン回転数を増減させ、燃料噴射装置から各気筒に供給される１サイクル当たりの燃料量を増減させることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明のエンジンの制御装置及び制御方法の実施形態を詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第一の実施形態のエンジンの制御装置のシステム構成を示しもので、エンジン１２は、多気筒エンジンである。該多気筒エンジン１２は、点火装置による火花点火燃焼と、ピストン圧縮によって混合気を自己着火させる圧縮着火燃焼との二つのモードの燃焼が可能なように構成されている。
【００２９】
前記多気筒エンジン１２は、具体的には、低速低負荷領域、つまり、エンジントルクとしてフルロードの１／２程度、エンジン回転数では３０００回転程度のエンジン運転領域までは、圧縮着火燃焼モードによる高効率運転が可能で、それ以外の負荷領域では、火花点火燃焼を行うものである。
【００３０】
エンジン１２には、その気筒を構成するシリンダブロックもしくはシリンダヘッドに一つの振動検出センサ５が装置されると共に、空気が吸入される上流にエアフローセンサ６、その下流に空気量を調整するスロットル７、吸気ポート８、気筒毎の燃料噴射弁（以下、インジェクタ）９、及び、回転数センサ１３が配置されている。インジェクタ９は、各気筒の燃焼室１１に直接燃料噴射する形式とし、スロットル７は、電子制御スロットルであることが好ましく、電気式アクチュエータによってスロットルバルブを駆動するものである。
また、エンジン１２は、可変バルブ１６ａ、１６ｂを備えていると共に、パワートレーンコントロールユニット（制御装置）（以下、ＰＣＵ）１を備えている。
【００３１】
エンジン１２は、その始動時には、スタータ１０を駆動して運転が開始され、該エンジン１２の出力軸１５は、摩擦クラッチ１４を介して車両の変速機１７に接続され、更に、変速機出力軸１８や減速ギア１９等を介して車輪２０に接続される。変速機１７は、所定回転数を実現しやすい無段自動変速方式（以下、ＣＶＴ）であることが望ましい。
【００３２】
ＰＣＵ（制御装置）１は、車両の運転状態やユーザ意図を認識（検出）するものとして、車速Ｖｓ、ブレーキ信号Ｓｂ、アクセル開度α、変速比（ギア位置）Ｍｐ、変速機出力軸回転数Ｎｏｕｔ等の値を入力すると共に、エンジン運転状態として、空燃比Ａ／Ｆ、エンジン吸気温度Ｔｉｎ、エンジン排気温度Ｔｅｘ、エンジン冷却水温Ｔｗ、振動検出センサ５のエンジン振動Ｐｅ、エンジン回転数Ｎｅ、スロットル開度θｔｐなどの値を入力する。
【００３３】
ＰＣＵ（制御装置）１は、エンジン１２や変速機１７などの制御状態を決定するものであり、圧縮着火燃焼モード時の気筒別燃焼状態推定手段２、及び、燃料噴射条件・可変バルブ条件設定手段３や変速比設定手段４等を含む燃焼状態制御手段を少なくとも備えている。
【００３４】
気筒別燃焼状態推定手段２は、エンジン１２の回転数Ｎｅと振動検出センサ５の振動Ｐｅ等からエンジン１２の気筒別の燃焼状態を推定し、該推定した燃焼状態を燃料噴射条件・可変バルブ条件設定手段３、及び、変速比設定手段４に出力する。このように、ＰＣＵ１は、前記各センサ等の検出値を基に前記手段２〜４において各種の演算を行い、該演算の結果に基づき、それぞれの気筒の制御状態を推定して、好適な圧縮着火燃焼モードを実現するものである。
【００３５】
インジェクタ９は、スロットル７の開度信号θｔｐやアクセル開度信号αなどから演算される目標エンジントルクに応じて所定量の燃料を噴射し、可変バルブ１６ａは、吸気側のバルブタイミングおよびバルブリフト量を、可変バルブ１６ｂは、排気側のバルブタイミングおよびバルブリフト量を、運転条件に応じて油圧またはモータ電流制御によって、最適な制御量に変化させるものである。実際の運転制御方式については後述する。
【００３６】
図２は、本実施形態において、各気筒の燃焼状態推定手段として用いる振動検出センサ５、その特性、及び、その検出例を示したものである。
【００３７】
図２の（ａ）は、エンジン１２に取り付けた振動検出センサ５を模式的に示したものであり、エンジン１２のシリンダブロックもしくはシリンダヘッド１２ａに、おもりとしての振動子５ａと圧電素子５ｂとから成る振動検出センサ５が固定され、エンジン１２の振動周波数を振動子５ａの振動により圧電素子５ｂにより電圧として検出するものである。
【００３８】
図２の（ｂ）は、エンジン１２の振動周波数と振動検出センサ５の出力電圧との関係を示した出力特性を示したものであり、図２の（ｃ）は、エンジン１２の圧縮着火燃焼モード時の筒内圧力とクランク角度との関係を示したものであり、図２の（ｄ）は、エンジン１２の圧縮着火燃焼モード時の振動検出センサ５の出力値とクランク角度との関係を示したものである。
振動検出センサ５は、通常、火花点火燃焼モード時にノックセンサとして用いられるものであるが、本実施形態においては、該センサの出力に寄与する圧電素子５ｂの振動検出精度を従来のノック検出用よりも向上させ、検出した振動の周波数を高精度に解析することで、圧縮着火燃焼モード時の筒内圧ピーク時期およびピーク値を推定できるようにしたものである。
【００３９】
具体的には、圧縮着火燃焼モード時に適正な燃焼が行なわれている場合には、図２の（ｃ）に示されているように、筒内圧力のピーク時期が、熱発生のピーク時期と上死点後のある時期で同じになるため、筒内圧ピーク時期のエンジン振動を検出することで、その出力電圧値から筒内圧ピーク値を推定することができると云うことである。
【００４０】
また、検出した周波数をフーリエ解析し、時刻データと重ね合わせることで、その各気筒のピーク時期とピーク値を推定することができる。各気筒の筒内圧ピーク時期の推測には、検出した周波数をウェーブレット変換によって解析することで、より高精度な筒内圧ピーク時期、及び、ピーク値の推定が可能になる。図２の（ｃ）、（ｄ）はこの方式を適用した一例で、（ｃ）は、筒内圧センサで検出した場合の圧縮着火燃焼時の圧力波形で、（ｄ）は、振動検出センサ５で高精度に検出、演算した場合の出力波形である。このように、振動検出センサ５を用いても、筒内圧のピーク時期とピーク値を推定できる。
【００４１】
これにより、エンジン１２のシリンダブロックもしくはエンジンヘッド１２ａに本方式の振動検出センサ５を配置することで、低コストで各気筒の圧縮着火燃焼モード時の燃焼状態が推定可能となる。なお、前記方式は、火花点火燃焼時にはノックセンサとして用いることができることは言うまでもない。
以下、本実施形態におけるエンジンの制御装置の制御について、具体的に説明する。
【００４２】
図３は、エンジン１２がＰＣＵ（制御装置）１によって圧縮着火燃焼モードで運転中の場合の制御フローチャートを示している。
ステップ１００１ｓにおいては、車両の運転状態、エンジン１２のアクセル開度αやブレーキ信号Ｓｂなどのユーザ意図に基づく信号、及び、エンジン回転数Ｎｅなどのエンジン運転状態を読み込み、ステップ１００２ｓに進む、ステップ１００２ｓでは、ステップ１００１ｓの読み込み検出値に基づき、エンジン１２が圧縮着火燃焼モードの運転領域にあるか否かを判定する。
【００４３】
ステップ１００２ｓでエンジン１２の運転領域が圧縮着火燃焼モード領域にあると判定されると、ステップ１００３ｓで、現在、圧縮着火燃焼モードで運転が行なわれているか否かを判定し、火花点火燃焼モード運転中（圧縮着火燃焼モードで運転でない）であれば、ステップ１００３ａｓに進んで圧縮着火燃焼モードに切り換えステップ１００４ｓに進む。ステップ１００３ａｓで圧縮着火燃焼モードで運転中と判定された場合は、直接、ステップ１００４ｓに進む。
【００４４】
次に、ステップ１００４ｓでは、圧縮着火燃焼モード時における気筒別の燃焼状態を推定するためのセンサの出力値を読み込み、ステップ１００５ｓにおいて、各気筒の筒内圧ピーク時期およびピーク値を推定する。これらステップ１００４ｓ及びステップ１００５ｓの筒内圧力推定に関する具体的な手法については後述する。
【００４５】
次に、ステップ１００６ｓに進んで、ステップ１００４ｓ及びステップ１００５ｓにおける推定値において、全ての気筒の筒内圧ピーク時期が所定範囲内にあるか否かを判定する。このとき筒内圧ピーク時期の所定範囲とは、概ね圧縮上死点以降から上死点後１０°までのことをいい、エンジン運転条件にもよってその範囲の広さは多少異なるが、圧縮着火燃焼モード時にはこの間に筒内圧ピーク時期がくれば、適正な時期に燃焼が行なわれているものと判定できる。
【００４６】
この判定結果で、所定範囲内にない気筒があると判定された場合は、ステップ１００８ｓに進んで、燃焼状態の制御を行なう（この制御手法の詳細については後述する）。この後のステップ１００９ｓにて気筒間のピーク時期ずれ量を判定する。ずれ量が所定値以上、具体的には、圧縮上死点以降から上死点後１０°までの間に、全ての気筒の筒内圧ピーク時期が入らない状態である場合は、機器の劣化や故障などにより、圧縮着火燃焼による高効率かつ低排気運転ができなくなる可能性があるので、ステップ１０１２ｓに進み、圧縮着火運転を禁止すると共に、ステップ１０１３ｓに進んで、ユーザに高効率運転ができない旨を報知する。 この操作については、エンジン再始動後に圧縮着火燃焼モードに入れる場合に数度行ない、全て圧縮着火禁止状態と判定させる場合にはユーザに警告を行なって、装置およびエンジンのメンテナンスを促す。
【００４７】
ステップ１００６ｓに戻って、全気筒の筒内圧ピーク時期が所定範囲内にある場合には、ステップ１００７ｓへ進んで、全気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲内にあるかどうかを判定する。このとき、全気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲内である場合には、好適な圧縮着火燃焼が行なわれているものと判定される。
【００４８】
しかし、何れかの気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲外である場合には、燃焼が正常に行なわれていないものと判定できるので、ステップ１０１０ｓに進んで燃焼状態の制御を行ない（この制御手法の詳細については後述する）、ステップ１０１１ｓに進んで、再度全気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲内にあるか否かを判定する。所定範囲外の場合には、前述したステップ１０１２ｓ、１０１３ｓに進む。
【００４９】
即ち、前記の如き、気筒別燃焼状態の推定と制御を行なうことによって、装置（車両等）やエンジン１２の劣化時や機器ばらつきなどに対しても、エンジン１２の燃費・排気、又は、エンジン１２を搭載した装置の運転性能を大幅に悪化させることがないために、耐久性およびロバスト性に優れた多気筒エンジン１２およびそれを搭載した装置を提供することができる。
【００５０】
次に、図４〜図６を用いて、本実施形態のエンジン１２の各気筒の燃焼状態の推定方法及び燃焼状態制御方法について詳細に説明する。
【００５１】
図４は、本実施形態におけるエンジン１２の各気筒の圧縮着火燃焼モードにおける燃焼状態制御手段の制御フローチャートである。前述した手法で各気筒の燃焼状態を検出した後、これらに基づいて、各気筒の圧縮着火燃焼を制御するものである。
【００５２】
まず、各気筒の燃焼状態の推定結果から、ステップ１０１４ｓにおいて、全ての気筒の筒内圧ピーク時期が所定範囲内にあるかどうかについて判定する。所定範囲内にある場合、全ての気筒で適正な時期に燃焼しているものと推定できるので、ステップ１０１９ｓに進んで、全ての気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲内にあるかどうかについて判定する。
【００５３】
ステップ１０１４ｓでピーク時期が所定範囲外にある気筒があると判定されると、ステップ１０１５ｓに進んで、当該気筒のピーク時期が所定範囲の時期より早いか遅いかを判定する。ピーク時期が遅い場合には、ステップ１０１６ａｓに進んで可変バルブ１６ａおよび１６ｂを用いて内部ＥＧＲ量を増加し、全気筒の混合気の着火性を向上、すなわち着火時期を早期化する。エンジン回転数が比較的高回転（２０００回転以上）である場合は、内部ＥＧＲ増加に伴う吸入空気量減少で圧縮着火燃焼成立しない場合があるので、ステップ１０１６ｂｓに進んで変速比設定ロジック４から変速機１７に信号を送り、エンジン回転数を若干減少し、１サイクルあたりの燃料量を増加することで着火性を向上させ、出力同等となるように制御してもよい。また、本実施形態では図示していないが、過給装置が吸気側についている場合には、吸入空気量を増加して筒内圧力を向上させることで、着火時期を早期化することも可能である。
【００５４】
ステップ１０１５ｓにおいてピーク時期が早いと判定される場合には、ステップ１０１６ｃｓに進んで可変バルブ１６ａ、１６ｂを用いて内部ＥＧＲ量を減少し、全気筒の着火時期を遅延化する。この時ステップ１０１６ｄｓに進んで変速比設定ロジック４から変速機１７に信号を送り、エンジン回転数を若干増加し、１サイクルあたりの燃料量を減少することで、出力同等となるように制御してもよい。
【００５５】
これらステップ１０１６ａｓ〜１０１６ｄｓの制御で所定範囲内、もしくは、その近辺に各気筒の燃焼状態を制御した後、ステップ１０１７ｓに進んで気筒別の噴射割合制御を行なうことで、より高効率運転できるように各気筒間の筒内圧ピーク時期を所定時期に揃える。
【００５６】
次に、ステップ１０１８ｓに進んで、気筒間の筒内圧ピーク時期のずれ量が所定値以上であるかどうかを判定する。このずれ量が大きい場合、燃焼が遅くなる気筒から未燃ＨＣが排出されやすく、燃焼が早い気筒からは甲高い燃焼音発生やエンジン損傷が発生しやすくなる。このずれ量が大きい場合は、ステップ１０２４ｓに進んで圧縮着火燃焼モードを禁止し、装置のユーザに高効率運転できない旨を報知する（ステップ１０２５ｓ）。この操作について、報知後にエンジン再始動して、所定条件となれば圧縮着火燃焼モードに入れるが、何度か続けて圧縮着火禁止状態と判定される場合にはユーザに警告を行なって、装置およびエンジンのメンテナンスを促す。
【００５７】
ステップ１０１８ｓにおいて、筒内圧ピーク時期のずれ量が所定値内であると判定されると、次にステップ１０１９ｓに進んで全気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲内であるかどうかを判定する。所定範囲内にある場合、全ての気筒で適正な時期に燃焼しているものと推定できる。
【００５８】
ステップ１０１９ｓにおいてピーク値が所定範囲外にある気筒があると判定されると、ステップ１０２０ｓに進んで、当該気筒のピーク値が所定範囲より高いか低いかを判定する。ピーク値が低い場合には、ステップ１０２１ａｓに進んで可変バルブ１６ａ、１６ｂを用いて内部ＥＧＲ量を増加し、全気筒の混合気の着火性を向上することで、燃焼による熱発生が起こりやすい状態にする。エンジン回転数が比較的高回転（２０００回転以上）である場合は、内部ＥＧＲ増加に伴う吸入空気量減少で圧縮着火燃焼成立しない場合があるので、ステップ１０２１ｂｓに進んで変速比設定ロジック４から変速機１７に信号を送り、エンジン回転数を若干減少し、１サイクルあたりの燃料量を増加することで着火性を向上させ、出力同等となるように制御してもよい。また、本実施形態では図示していないが、過給装置が吸気側についている場合には、吸入空気量を増加して筒内圧力を向上させることで、着火性を向上することも可能である。
【００５９】
ステップ１０２０ｓにおいてピーク値が高いと判定される場合には、ステップ１０２１ｃｓに進んで可変バルブ１６ａ、１６ｂを用いて内部ＥＧＲ量を減少し、筒内温度を下げることで、燃焼の熱発生が緩慢になるようにする。この時ステップ１０２１ｄｓに進んで変速比設定ロジック４から変速機１７に信号を送り、エンジン回転数を若干増加し、１サイクルあたりの燃料量を減少することで、出力同等となるように制御してもよい。
【００６０】
これらステップ１０２１ａｓ〜１０２１ｄｓの制御で、ピーク値が所定範囲内に各気筒の燃焼状態を制御した後、ステップ１０２２ｓに進んで気筒別の噴射割合制御を行なうことで、より高効率運転できるように各気筒間の筒内圧ピーク時期を所定時期に揃え、ピーク値を所定範囲内に収めるように制御する。
【００６１】
次に、ステップ１０２３ｓに進んで、再度、気筒間の筒内圧ピーク値が所定範囲内であるかどうかを判定する。所定範囲外にあると判定されると、ステップ１０２４ｓに進んで、圧縮着火燃焼モードを禁止し、装置のユーザに高効率運転できない旨を報知する（ステップ１０２５ｓ）。この操作について、報知後にエンジン再始動して、所定条件となれば圧縮着火燃焼モードに入れるが、何度か続けて圧縮着火禁止状態と判定される場合にはユーザに警告を行なって、装置およびエンジンのメンテナンスを促す。
【００６２】
前記のような燃焼状態制御により、全ての気筒の燃焼状態を揃えることができるため、エンジン機器のばらつきや劣化などによる燃焼ばらつきを防止して、高効率かつ低排気運転することができる。
【００６３】
図５は、本実施形態で用いる吸排気可変バルブ１６ａ、１６ｂのリフトカーブ特性の一例を示している。本実施形態では、図５のように、吸排気バルブ１６ａ、１６ｂのバルブリフト量と作用角を制御することによって、排気を閉じ込める期間（以下、マイナスオーバーラップ期間）を変化させて、内部ＥＧＲを連続制御する可変バルブを用いたものである。
【００６４】
この場合、各気筒に電磁駆動弁を設けて気筒毎にマイナスオーバーラップ期間を連続可変させても良いが、多気筒エンジンでは気筒数の増加に伴い、大幅なコストアップとなってしまう。このため、全気筒同時に、バルブリフト量および作用角を可変にする装置を設け、運転条件によって連続的にマイナスオーバーラップ量を変化させるようにしたことで、本発明の目的が達成できる構成とした。
【００６５】
図６は、本実施形態の燃料の噴射制御手法の一例を示したものである。本実施形態においては、燃料噴射方式は筒内噴射であるため、運転条件に応じて噴射時期などを変化させることにより、混合気状態を任意に制御可能である。
【００６６】
図６の（ａ）に示すように、燃料噴射を複数回に分けて行い、はじめの１回は、マイナスオーバーラップ期間中に噴射して燃料の一部をラジカル化する方式を適用し、これを気筒毎に噴射割合を変化させることで、気筒間の燃焼ばらつきを抑制するものである。
このとき、図６の（ｂ）に示すように、１回目の噴射割合が多くなる領域では排気行程中や吸気行程中に爆発してしまうことがあるので、具体的には１回目の噴射割合が総噴射量に対して３／４以上とならないような範囲で噴射割合制御を行なう。
【００６７】
図７は、これまでに説明した各気筒の燃焼状態の推定方法や制御手法を４気筒エンジンの圧縮着火運転モードに適用した場合の燃焼状態について示したものである。
【００６８】
図７の（ａ）の（ｉ）は、一番気筒（＃１）の筒内圧ピーク時期がある運転条件で所定範囲からずれている（遅れている）場合を示している。これに前述した燃焼状態制御手法を適用することで、（ａ）の（ｉｉ）のように、全気筒の筒内圧ピーク時期が所定範囲内に収まり、高効率かつ低排気運転が可能となっていることが解る。この筒内圧ピーク時期が、燃焼状態制御を実行後も所定範囲内に収まらない場合には、高効率かつ低排気なエンジン運転を継続することは困難なので、圧縮着火燃焼モードを禁止し、そのエンジンを搭載している装置のユーザにその旨を報知する。
また、図７の（ｂ）の（ｉ）は、一番気筒（＃１）の筒内圧ピーク値がある運転条件で所定値より低い場合を示している。この場合、図７の（ｂ）の（ｉ）ように、ピーク値およびピーク時期が明確ではなく、失火や不完全燃焼などにより燃焼効率が落ち、未燃ＨＣなどを大量に排出している可能性がある。これに前記した燃焼状態制御手法を適用することで、図７の（ｂ）の（ｉｉ）のように、全気筒で筒内圧ピーク時期が所定範囲内で、かつ筒内圧ピーク値が所定値以上となり、高効率かつ低排気なエンジン運転が可能になっていることが解る。
【００６９】
これも図７の（ａ）の場合と同様、この筒内圧ピーク時期が燃焼状態制御を実行後も所定範囲内に収まらない、もしくは筒内圧ピーク値が所定値よりも低い場合には、高効率かつ低排気なエンジン運転を継続することは困難なので、圧縮着火燃焼モードを禁止し、そのエンジンを搭載している装置のユーザにその旨を報知する。
【００７０】
なお、本実施形態のエンジン１２の構成としては、燃料噴射は筒内噴射方式としているが、吸気管へ燃料を噴射する方式であっても構わない。この場合、気筒別の噴射割合制御ができなくなるが、その他の燃焼状態制御によって同様なことが実現できる。
また、変速機１７についても、所定回転数を実現しやすい無段自動変速方式（以下、ＣＶＴ）であることが望ましいと前述したが、有段歯車方式（以下、ＭＴ）や有段歯車自動変速方式（以下、ＡＴ）などの他の変速方式を用いる構成であっても、本実施形態に記載の燃焼状態制御を実現可能である。
【００７１】
図８は、本発明の第二の実施形態として、各気筒の燃焼状態推定手段の入力信号のためのセンサとして、筒内圧センサ２３を用いた場合のエンジンシステムの構成図を示したものである。各気筒に筒内圧センサ２３を設置することで、コストアップは避けられないが、より高精度に筒内の燃焼状態を推定することができるため、第一の実施形態の場合に比べ、より高効率かつ低排気なエンジン運転を実現することができる。
【００７２】
図９は、本発明の第三の実施形態のエンジンのシステムの構成を示したもので、各気筒の燃焼状態推定手段の入力信号のためのセンサとして、エンジンの出力軸１５にギア２５、２７を介した回転電動機（以下、モータ）２４を用いた場合の構成図を示したものである。このモータ２４を設置することで、圧縮着火燃焼モード中のエンジントルクを高精度に検出できるため、これによって各気筒の燃焼状態を推定することができる。
更に、通常はハイブリッド自動車としてエンジントルクを補ったり、変速中や燃焼切り換え中のトルク変動を抑制することが可能なため、システムとしての導入効果が大きいものである。
【００７３】
図１０は、本発明の第四の実施形態として、エンジンの制御装置を搭載する装置が、発電装置である場合のエンジンのシステム構成を示したものである。図１０の発電装置は、モータジェネレータ２１とインバータ２２とからなっている。エンジン１２としては、前記第一、第二、第三の実施形態で示した構成であって構わない。
【００７４】
図１０に示すように、エンジン１２の出力は、モータジェネレータ２１、インバータ２２を介して、電力として外部に供給する構成となっている。ＰＣＵ１には、装置運転中の外部情報Ｄ（気象条件、系統状態、電力需要などの情報）が取り込まれている。このとき、インバータ２２に回転数比設定手段４ａからの信号によって、入力回転数および出力周波数の制御を行なうことで、エンジン回転数を制御し、前記説明したような各気筒の燃焼状態推定と燃焼状態制御が可能となる。即ち、これまでの実施形態と同様に、発電装置に対して本実施形態の制御装置を適用することで、高効率かつ低排気な装置運転を実現することができる。
【００７５】
以上、本発明のいくつかの実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。
【００７６】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の多気筒エンジンの制御装置は、圧縮着火燃焼モード運転において、各気筒の筒内圧力ピーク値およびピーク時期を適正に制御できるので、圧縮着火燃焼時の気筒間およびサイクル間での燃焼ばらつきを抑えて、エンジンの燃費・排気特性に優れた圧縮着火燃焼を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例にかかる多気筒エンジンの制御装置のエンジンシステム構成図。
【図２】図１の多気筒エンジンの制御装置に係わるものであって、（ａ）は、多気筒エンジンのシリンダ部に装着された振動検出センサの模式図、（ｂ）は、該振動選出センサの出力特性図、（ｃ）は、多気筒エンジンの圧縮着火燃焼モード運転時の気筒内の圧力履歴図、及び、（ｄ）は、多気筒エンジンの圧縮着火燃焼モード運転時の振動検出センサによる気筒内の出力値履歴図。
【図３】図１の多気筒エンジンの制御装置の圧縮着火燃焼モード運転中の場合の制御フローチャート。
【図４】図１の多気筒エンジンの制御装置の圧縮着火燃焼モード運転中の場合の気筒内圧のピーク時期及びピーク値に基づく可変バルブ制御及びエンジン回転数制御の制御フローチャート。
【図５】図１の多気筒エンジンの制御装置の吸排気可変バルブのリフトカーブ特性の一例を示す図。
【図６】図１の多気筒エンジンの制御装置の燃料の噴射制御手法の一例を示したもので、（ａ）は、吸排気可変バルブの開閉と燃料噴射時期（複数回噴射）を示す図、（ｂ）は、一回目噴射量と圧縮着火時期との関係を示す図。
【図７】図１の多気筒エンジン（４気筒）の制御装置の圧縮着火運転モード運転状態での各気筒内のピーク時期とピーク値を示すもので、（ａ）の（ｉ）は、特定気筒の気筒内圧のピーク時期が遅い場合を示す図、（ａ）の（ｉｉ）は、燃焼制御により（ａ）の（ｉ）の状態を解消した図、（ｂ）の（ｉ）は、特定気筒の気筒内圧のピーク値が低い場合を示す図、（ｂ）の（ｉｉ）は、燃焼制御により（ｂ）の（ｉ）の状態を解消した図。
【図８】本発明の第二の実施例にかかる多気筒エンジンの制御装置のエンジンシステム構成図。
【図９】本発明の第三の実施例にかかる多気筒エンジンの制御装置のエンジンシステム構成図。
【図１０】本発明の第四の実施例にかかる多気筒エンジンの制御装置のエンジンシステム構成図。
【符号の説明】
１…パワートレーンコントロールユニット（制御装置）、２…気筒別燃焼状態推定手段、３…可変バルブ条件設定手段、４…変速比設定手段、５…振動検出センサ、６…エアフローセンサ、７…スロットル、８…吸気ポート、９…インジェクタ、１０…スタータ、１１…燃焼室（筒内）、１２…エンジン、１３…回転数センサ、１４…摩擦クラッチ、１５…エンジン出力軸、１６ａ…吸気用可変バルブ、１６ｂ…排気用可変バルブ、１７…変速機、１８…変速機出力軸、１９…減速ギア、２０…車輪、２１…モータジェネレータ、２２…インバータ、２３…筒内圧センサ、２４…モータジェネレータ、２５…ギア、２７…ギア
【発明の属する技術分野】
本発明は、多気筒エンジンの制御装置及び制御方法に係り、特に、圧縮着火燃焼モード運転時の気筒間の着火燃焼ばらつきを好適に抑制する多気筒エンジンの制御装置及び制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
予混合気を圧縮して自己着火させる燃焼方式の多気筒エンジン、いわゆる、予混合圧縮着火燃焼方式多気筒エンジンにおいては、高効率でかつ広い運転領域において自己着火燃焼が行えるように、該エンジンを好適に制御することが望まれている。例えば、特開２０００−３２０３３３号公報に所載の技術は、吸排気弁のバルブタイミング制御により、気筒内に密閉期間（マイナスオーバーラップ）を設け、運転条件に応じて、このマイナスオーバーラップ期間と燃料噴射タイミングを制御することで、混合気の自己着火燃焼を制御するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記公報に所載の技術は、エンジンの運転条件に応じて、該エンジンの構成機器を制御するものであるので、例えば、機器に個体ばらつきがあったり劣化等が発生すると、同じ運転条件であっても、気筒間およびサイクル間で着火時期や燃焼状態に変化が生じるような現象がある。この現象の影響で、エンジンの過早着火や失火などが一つ以上の気筒で起こる虞があり、その結果、エンジンの燃費や排気状態が大幅に悪化してしまうという問題が生じることがある。
【０００４】
一般に知られている火花点火式の多気筒（ガソリン）エンジンは、点火プラグによる着火時期の設定しその後の制御を行うものであり、ディーゼルエンジンも、燃料噴霧により着火時期を設定しその後の燃焼制御を行うものであるので、共に着火のためのトリガを備え、非常に強力かつロバスト性の高い燃焼制御が可能であることから、回転センサ等を用いた失火診断など一部の制御を除いて、気筒別に詳細な燃焼状態を知り、その燃焼状態に基づいて燃焼制御を行う必要性に乏しかった。
【０００５】
しかし、予混合圧縮着火燃焼方式多気筒エンジンにおいては、燃料と空気の予混合気をピストン圧縮によって自己着火を行うことを前提としているため、前記エンジンの如く、強力な着火トリガなく、かつ燃焼期間も前記エンジン（火花点火エンジン等）に比べて短いものになっている。このことが高効率かつ低排気運転を可能にするが、その反面、筒内構造のわずかなばらつきが燃焼状態に大きく影響し、そのことが結果として燃費や排気を悪化させる要因となっている。このことは、多気筒の全気筒を同じ条件に制御していても、正常に燃焼していない気筒があるものと推定されるものであり、本出願人の実験によってもそのことが確認されている。
【０００６】
本発明は、前記の如き課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、圧縮着火燃焼モード運転を有する多気筒エンジンにおいて、圧縮着火燃焼モード時に、エンジンや構成部品の個体ばらつきや劣化などに起因する気筒間およびサイクル間での燃焼ばらつきを抑えることができる多気筒エンジンの制御装置及び制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するべく、本発明の多気筒エンジンの制御装置は、基本的には、圧縮着火燃焼もしくは該圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換え可能な多気筒エンジンに適用するものであって、各気筒別の燃焼状態を推定する気筒別燃焼状態推定手段と、前記各気筒別の燃焼状態を制御する燃焼状態制御手段と、を備え、該燃焼状態制御手段は、圧縮着火燃焼モード運転時に、該モード運転時の前記気筒別燃焼状態推定手段の前記燃焼状態の推定に基づいて、前記各気筒別に燃焼状態を制御することを特徴としている。
【０００８】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成によって、圧縮着火燃焼モード運転時に、各気筒別の燃焼状態を推定することができ、気筒別の燃焼状態の推定に基づいて、各気筒別に燃焼制御を行うことができるので、多気筒エンジンの構成機器に製造ばらつきや劣化が生じても、該製造ばらつきや劣化を踏まえた最良の各気筒別の燃焼制御を行うことで、気筒間やサイクル間での燃焼ばらつきを改善でき、結果として、エンジンの燃費・排気特性に優れた圧縮着火燃焼を実現できる。
【０００９】
また、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の態様としては、前記気筒別燃焼状態推定手段が、前記各気筒の筒内圧力のピーク値と該筒内圧力のピーク時期とを推定するものであり、前記燃焼状態制御手段が、前記各気筒の筒内圧力の前記ピーク値が所定範囲内、及び／又は、前記ピーク時期がピストン上死点後の所定期間内になるように制御することを特徴とし、前記燃焼状態制御手段が、前記多気筒エンジンの運転条件、前記多気筒エンジンを搭載した装置の運転状態、前記装置のユーザのユーザ意図等に基づいて、更に、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼との切り換え等を含む他の燃焼状態を制御することを特徴としている。
【００１０】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成によって、圧縮着火燃焼モード運転時の各気筒内の燃焼状態を各別に正確に推定できる。即ち、圧縮着火燃焼モード時に適正な燃焼が行なわれている場合には、筒内圧力のピーク時期が、熱発生のピーク時期と上死点後のある時期で同じになるため、筒内圧ピーク値とピーク時期とを検出することで、各気筒内の燃焼状態を推定することができる。このピーク時期は、運転条件にもよるが上死点後０°〜１０°以内のある範囲にあれば、高効率の運転をすることができる。
【００１１】
更に、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の具体的な態様としては、前記気筒別燃焼状態推定手段は、前記多気筒エンジンのシリンダブロック、もしくは、シリンダヘッドに設けた振動検出センサの信号、前記多気筒エンジンの出力軸に直接またはギアを介して接続する少なくとも一つの回転電動機からに信号、あるいは、前記多気筒エンジンの少なくとも１つの気筒に設けた筒内圧力センサからの信号に基づいて燃焼状態を推定することを特徴としている。
【００１２】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成のように、振動検出センサを用いることによって、一つの振動検出センサの信号である周波数を適正に解析することにより、各気筒別の筒内の圧力ピーク値、及び、ピーク時期を個々に推定することができ、結果として、圧縮着火燃焼モード運転での各気筒別の燃焼状態を低コストで、かつ、適正に推定することができる。また、多気筒エンジンの出力軸に直接またはギアを介して接続する回転電動機を用いることによって、圧縮着火燃焼モード運転中のエンジントルクを高精度に検出できるため、これによって各気筒の燃焼状態を推定することができる。更に、筒内圧力センサを用いることによって、各気筒の筒内圧力を気筒別に直接に高精度に検出することができるので、該筒内圧力状態から筒内の燃焼状態を的確に推定することができる。
【００１３】
更にまた、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の具体的な態様としては、前記燃焼状態制御手段が、吸気弁および排気弁のバルブタイミング及びバルブリフト量のうち少なくともどれか一つを変化させて内部ＥＧＲ量を変化させる可変バルブ機構と、前記多気筒エンジンの燃焼室に直接または間接的に燃料を噴射する燃料噴射装置と、前記多気筒エンジンの出力軸トルクを車両の動力伝達系に変速比を調整して伝達する変速機と、の少なくとも一つを制御することを特徴としている。
【００１４】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成とすることによって、気筒別燃焼状態推定手段の推定結果に基づいて、各気筒の燃焼状態に変更が必要となった場合には、前記燃焼状態制御手段の指令に基づいて、前記可変バルブ機構、前記燃焼噴射装置、及び、前記変速機を単独、又は、協調制御することにより、圧縮着火燃焼モード運転時の各気筒の筒内圧力ピーク値、及び、ピーク時期を適正な範囲となるように燃焼状態の制御を行うことができる。
【００１５】
更にまた、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の具体的な態様としては、前記燃焼状態制御手段は、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の前記筒内圧力のピーク値が所定値より低いか、もしくは、前記筒内圧力のピーク時期が所定時期より遅いと推定された場合に、前記可変バルブ機構によりマイナスオーバーラップ量を増して内部ＥＧＲ量を増加させる制御、及び／又は、前記変速機により変速比を制御してエンジン回転数を減少させる制御を行うことを特徴とし、更に、前記燃焼状態制御手段は、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記気筒の内の少なくとも一つの気筒の筒内圧力のピーク値が所定値より高いか、もしくは、ピーク時期が所定時期より早いと推定された場合に、前記可変バルブ機構によりマイナスオーバーラップ量を減じて内部ＥＧＲ量を減少させる制御、及び／又は、前記変速機により変速比を制御してエンジン回転数を増加させる制御を行うことを特徴としている。
【００１６】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成とすることによって、各気筒の筒内圧力ピーク値およびピーク時期を適正に制御できるので、圧縮着火燃焼モード運転時の各気筒間及びサイクル間での燃焼ばらつきを抑えて、エンジンの燃費・排気特性に優れた圧縮着火燃焼を実現できる。
【００１７】
即ち、各気筒のピーク時期が所定範囲の時期より早いか遅いかを判定し、ピーク時期が早い場合には、可変バルブを用いて内部ＥＧＲ量を増加し、全気筒の混合気の着火性を向上、すなわち着火時期を早期化し、エンジン回転数が比較的高回転（２０００回転以上）である場合には、内部ＥＧＲ増加に伴う吸入空気量減少で圧縮着火燃焼成立しない場合があるので、変速機でエンジン回転数を若干減少し、一サイクル当たりの燃料量を増加することで着火性を向上させることができる。また、ピーク時期が遅いと判定される場合には、可変バルブを用いて内部ＥＧＲ量を減少させ、全気筒の着火時期を遅延化することができる。この時、変速機によりエンジン回転数を若干増加させ、一サイクルあたりの燃料量を減少することで、出力同等となるように制御してもよい。
【００１８】
次に、各気筒のピーク値が所定範囲外にある否かを判定して、ピーク値が低い場合には、可変バルブを用いて内部ＥＧＲ量を増加し、全気筒の混合気の着火性を向上することで、燃焼による熱発生が起こりやすい状態とすると共に、エンジン回転数が比較的高回転（２０００回転以上）である場合は、内部ＥＧＲ増加に伴う吸入空気量減少で圧縮着火燃焼成立しない場合があるので、変速機でエンジン回転数を若干減少させ、一サイクルあたりの燃料量を増加することで着火性を向上させ、出力同等となるように制御することができる。
【００１９】
更にまた、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の具体的な態様としては、前記燃焼状態制御手段は、前記燃料噴射装置から各気筒に供給される１サイクル当たりの燃料量を増加させるか、又は、燃料量を減少させることを特徴とし、更に、前記燃料噴射装置は、筒内に直接燃料噴射する方式であり、前記燃焼状態制御手段は、前記圧縮着火着火燃焼モード時に前記可変バルブ機構によるマイナスオーバーラップ期間中に少なくとも１度の燃料噴射を行うべく制御するものであり、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の前記筒内圧力のピーク値が所定値より低いか、もしくは、前記筒内圧力のピーク時期が所定時期より遅いと推定された場合は、前記マイナスオーバーラップ期間中に前記燃料噴射装置から前記気筒内に噴射する燃料量を増加する制御を行うか、又は、前記気筒の内の少なくとも一つの気筒の筒内圧力のピーク値が所定値より高いか、もしくは、ピーク時期が所定時期より早いと推定された場合は、前記マイナスオーバーラップ期間中に前記燃料噴射装置から前記気筒内に噴射する燃料量を減少する制御を行うことを特徴としている。
【００２０】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成とすることによって、燃料噴射方式で筒内に直接燃料を噴射をする場合には、運転条件に応じて噴射時期などを変化させることにより、混合気状態を任意に制御可能であり、燃料噴射を複数回に分けて、マイナスオーバーラップ期間中に噴射して燃料の一部をラジカル化する方式で適用し、これを気筒毎に噴射割合を変化させることで、気筒間の燃焼ばらつきを抑制することができる。
【００２１】
更にまた、本発明の多気筒エンジンの制御装置の他の具体的な態様としては、前記制御装置は、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、少なくとも一つの気筒の筒内圧力のピーク値が所定範囲外、もしくは、該筒内圧力のピーク時期が所定期間外であると推定される場合は、前記多気筒エンジンにおける圧縮着火燃焼モード運転を禁止するか、もしくは、火花点火燃焼モード運転に切り換えることを特徴とし、前記圧縮着火燃焼モードを禁止した場合は、前記多気筒エンジンを搭載した装置のユーザに警告することを特徴としている。
【００２２】
本発明の多気筒エンジンの制御装置は、前記構成とすることによって、燃焼状態制御を行っても、気筒の筒内圧力のピーク値が所定範囲内でない場合や該筒内圧力のピーク時期が所定期間内でない場合には、機器の劣化や故障などにより、圧縮着火燃焼モード状態での高効率かつ低排気のエンジン運転ができなくなる可能性があるので、この場合には、圧縮着火燃焼モード運転を禁止して運転を中止するか、もしくは、火花点火燃焼モード運転に切り換えると共に、ユーザに高効率運転ができない旨を報知してユーザの認識を喚起することができる。
【００２３】
一方、本発明の多気筒エンジンの制御方法は、基本的には、圧縮着火燃焼制御もしくは該圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換え制御する多気筒エンジンの制御方法であって、前記圧縮着火燃焼モード運転時に、各気筒別に、前記モード運転時の燃焼状態を推定し、該各気筒別に推定した燃焼状態に基づいて、前記各気筒をその気筒別に燃焼状態の制御し、前記多気筒エンジンの運転条件、前記多気筒エンジンを搭載した装置の運転状態、前記装置のユーザのユーザ意図等に基づいて、更に、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼との切り換え等を含む他の燃焼状態の制御を行うことを特徴としている。
【００２４】
また、本発明の多気筒エンジンの制御方法の具体的な態様は、前記気筒別の燃焼状態の推定は、前記各気筒の筒内圧力のピーク値と該筒内圧力のピーク時期とを推定するものであり、前記燃焼状態の制御は、前記各気筒の筒内圧力の前記ピーク値が所定範囲内、及び／又は、前記ピーク時期がピストン上死点後の所定期間内になるように制御をすることを特徴としている。
【００２５】
更に、本発明の多気筒エンジンの制御方法の他の具体的な態様は、前記各気筒の筒内圧力は、前記多気筒エンジンの振動周波数を検出し、該振動周波数を解析した値、又は、前記多気筒エンジンの少なくとも１つの気筒に設けた筒内圧力センサの値であることを特徴としている。
【００２６】
更にまた、本発明の多気筒エンジンの制御方法の他の具体的な態様は、圧縮着火燃焼制御もしくは該圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換え制御する多気筒エンジンの制御方法であって、前記圧縮着火燃焼モード運転時に、各気筒別に、前記モード運転時の燃焼状態を推定し、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の前記筒内圧力のピーク値が所定値より低いか高いか、もしくは、前記筒内圧力のピーク時期が所定時期より遅いか早いかの内、少なくともいすれか一つが推定された場合に、前記気筒の可変バルブ機構によりマイナスオーバーラップ量を増減して内部ＥＧＲ量を増減させて燃焼状態の制御をし、更に、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の筒内圧力ピーク値が所定値より低いか高いか、もしくは、ピーク時期が所定時期より遅いか早いかの内、少なくともいすれか一つが推定された場合に、変速機により変速比を制御してエンジン回転数を増減させ、燃料噴射装置から各気筒に供給される１サイクル当たりの燃料量を増減させることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明のエンジンの制御装置及び制御方法の実施形態を詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第一の実施形態のエンジンの制御装置のシステム構成を示しもので、エンジン１２は、多気筒エンジンである。該多気筒エンジン１２は、点火装置による火花点火燃焼と、ピストン圧縮によって混合気を自己着火させる圧縮着火燃焼との二つのモードの燃焼が可能なように構成されている。
【００２９】
前記多気筒エンジン１２は、具体的には、低速低負荷領域、つまり、エンジントルクとしてフルロードの１／２程度、エンジン回転数では３０００回転程度のエンジン運転領域までは、圧縮着火燃焼モードによる高効率運転が可能で、それ以外の負荷領域では、火花点火燃焼を行うものである。
【００３０】
エンジン１２には、その気筒を構成するシリンダブロックもしくはシリンダヘッドに一つの振動検出センサ５が装置されると共に、空気が吸入される上流にエアフローセンサ６、その下流に空気量を調整するスロットル７、吸気ポート８、気筒毎の燃料噴射弁（以下、インジェクタ）９、及び、回転数センサ１３が配置されている。インジェクタ９は、各気筒の燃焼室１１に直接燃料噴射する形式とし、スロットル７は、電子制御スロットルであることが好ましく、電気式アクチュエータによってスロットルバルブを駆動するものである。
また、エンジン１２は、可変バルブ１６ａ、１６ｂを備えていると共に、パワートレーンコントロールユニット（制御装置）（以下、ＰＣＵ）１を備えている。
【００３１】
エンジン１２は、その始動時には、スタータ１０を駆動して運転が開始され、該エンジン１２の出力軸１５は、摩擦クラッチ１４を介して車両の変速機１７に接続され、更に、変速機出力軸１８や減速ギア１９等を介して車輪２０に接続される。変速機１７は、所定回転数を実現しやすい無段自動変速方式（以下、ＣＶＴ）であることが望ましい。
【００３２】
ＰＣＵ（制御装置）１は、車両の運転状態やユーザ意図を認識（検出）するものとして、車速Ｖｓ、ブレーキ信号Ｓｂ、アクセル開度α、変速比（ギア位置）Ｍｐ、変速機出力軸回転数Ｎｏｕｔ等の値を入力すると共に、エンジン運転状態として、空燃比Ａ／Ｆ、エンジン吸気温度Ｔｉｎ、エンジン排気温度Ｔｅｘ、エンジン冷却水温Ｔｗ、振動検出センサ５のエンジン振動Ｐｅ、エンジン回転数Ｎｅ、スロットル開度θｔｐなどの値を入力する。
【００３３】
ＰＣＵ（制御装置）１は、エンジン１２や変速機１７などの制御状態を決定するものであり、圧縮着火燃焼モード時の気筒別燃焼状態推定手段２、及び、燃料噴射条件・可変バルブ条件設定手段３や変速比設定手段４等を含む燃焼状態制御手段を少なくとも備えている。
【００３４】
気筒別燃焼状態推定手段２は、エンジン１２の回転数Ｎｅと振動検出センサ５の振動Ｐｅ等からエンジン１２の気筒別の燃焼状態を推定し、該推定した燃焼状態を燃料噴射条件・可変バルブ条件設定手段３、及び、変速比設定手段４に出力する。このように、ＰＣＵ１は、前記各センサ等の検出値を基に前記手段２〜４において各種の演算を行い、該演算の結果に基づき、それぞれの気筒の制御状態を推定して、好適な圧縮着火燃焼モードを実現するものである。
【００３５】
インジェクタ９は、スロットル７の開度信号θｔｐやアクセル開度信号αなどから演算される目標エンジントルクに応じて所定量の燃料を噴射し、可変バルブ１６ａは、吸気側のバルブタイミングおよびバルブリフト量を、可変バルブ１６ｂは、排気側のバルブタイミングおよびバルブリフト量を、運転条件に応じて油圧またはモータ電流制御によって、最適な制御量に変化させるものである。実際の運転制御方式については後述する。
【００３６】
図２は、本実施形態において、各気筒の燃焼状態推定手段として用いる振動検出センサ５、その特性、及び、その検出例を示したものである。
【００３７】
図２の（ａ）は、エンジン１２に取り付けた振動検出センサ５を模式的に示したものであり、エンジン１２のシリンダブロックもしくはシリンダヘッド１２ａに、おもりとしての振動子５ａと圧電素子５ｂとから成る振動検出センサ５が固定され、エンジン１２の振動周波数を振動子５ａの振動により圧電素子５ｂにより電圧として検出するものである。
【００３８】
図２の（ｂ）は、エンジン１２の振動周波数と振動検出センサ５の出力電圧との関係を示した出力特性を示したものであり、図２の（ｃ）は、エンジン１２の圧縮着火燃焼モード時の筒内圧力とクランク角度との関係を示したものであり、図２の（ｄ）は、エンジン１２の圧縮着火燃焼モード時の振動検出センサ５の出力値とクランク角度との関係を示したものである。
振動検出センサ５は、通常、火花点火燃焼モード時にノックセンサとして用いられるものであるが、本実施形態においては、該センサの出力に寄与する圧電素子５ｂの振動検出精度を従来のノック検出用よりも向上させ、検出した振動の周波数を高精度に解析することで、圧縮着火燃焼モード時の筒内圧ピーク時期およびピーク値を推定できるようにしたものである。
【００３９】
具体的には、圧縮着火燃焼モード時に適正な燃焼が行なわれている場合には、図２の（ｃ）に示されているように、筒内圧力のピーク時期が、熱発生のピーク時期と上死点後のある時期で同じになるため、筒内圧ピーク時期のエンジン振動を検出することで、その出力電圧値から筒内圧ピーク値を推定することができると云うことである。
【００４０】
また、検出した周波数をフーリエ解析し、時刻データと重ね合わせることで、その各気筒のピーク時期とピーク値を推定することができる。各気筒の筒内圧ピーク時期の推測には、検出した周波数をウェーブレット変換によって解析することで、より高精度な筒内圧ピーク時期、及び、ピーク値の推定が可能になる。図２の（ｃ）、（ｄ）はこの方式を適用した一例で、（ｃ）は、筒内圧センサで検出した場合の圧縮着火燃焼時の圧力波形で、（ｄ）は、振動検出センサ５で高精度に検出、演算した場合の出力波形である。このように、振動検出センサ５を用いても、筒内圧のピーク時期とピーク値を推定できる。
【００４１】
これにより、エンジン１２のシリンダブロックもしくはエンジンヘッド１２ａに本方式の振動検出センサ５を配置することで、低コストで各気筒の圧縮着火燃焼モード時の燃焼状態が推定可能となる。なお、前記方式は、火花点火燃焼時にはノックセンサとして用いることができることは言うまでもない。
以下、本実施形態におけるエンジンの制御装置の制御について、具体的に説明する。
【００４２】
図３は、エンジン１２がＰＣＵ（制御装置）１によって圧縮着火燃焼モードで運転中の場合の制御フローチャートを示している。
ステップ１００１ｓにおいては、車両の運転状態、エンジン１２のアクセル開度αやブレーキ信号Ｓｂなどのユーザ意図に基づく信号、及び、エンジン回転数Ｎｅなどのエンジン運転状態を読み込み、ステップ１００２ｓに進む、ステップ１００２ｓでは、ステップ１００１ｓの読み込み検出値に基づき、エンジン１２が圧縮着火燃焼モードの運転領域にあるか否かを判定する。
【００４３】
ステップ１００２ｓでエンジン１２の運転領域が圧縮着火燃焼モード領域にあると判定されると、ステップ１００３ｓで、現在、圧縮着火燃焼モードで運転が行なわれているか否かを判定し、火花点火燃焼モード運転中（圧縮着火燃焼モードで運転でない）であれば、ステップ１００３ａｓに進んで圧縮着火燃焼モードに切り換えステップ１００４ｓに進む。ステップ１００３ａｓで圧縮着火燃焼モードで運転中と判定された場合は、直接、ステップ１００４ｓに進む。
【００４４】
次に、ステップ１００４ｓでは、圧縮着火燃焼モード時における気筒別の燃焼状態を推定するためのセンサの出力値を読み込み、ステップ１００５ｓにおいて、各気筒の筒内圧ピーク時期およびピーク値を推定する。これらステップ１００４ｓ及びステップ１００５ｓの筒内圧力推定に関する具体的な手法については後述する。
【００４５】
次に、ステップ１００６ｓに進んで、ステップ１００４ｓ及びステップ１００５ｓにおける推定値において、全ての気筒の筒内圧ピーク時期が所定範囲内にあるか否かを判定する。このとき筒内圧ピーク時期の所定範囲とは、概ね圧縮上死点以降から上死点後１０°までのことをいい、エンジン運転条件にもよってその範囲の広さは多少異なるが、圧縮着火燃焼モード時にはこの間に筒内圧ピーク時期がくれば、適正な時期に燃焼が行なわれているものと判定できる。
【００４６】
この判定結果で、所定範囲内にない気筒があると判定された場合は、ステップ１００８ｓに進んで、燃焼状態の制御を行なう（この制御手法の詳細については後述する）。この後のステップ１００９ｓにて気筒間のピーク時期ずれ量を判定する。ずれ量が所定値以上、具体的には、圧縮上死点以降から上死点後１０°までの間に、全ての気筒の筒内圧ピーク時期が入らない状態である場合は、機器の劣化や故障などにより、圧縮着火燃焼による高効率かつ低排気運転ができなくなる可能性があるので、ステップ１０１２ｓに進み、圧縮着火運転を禁止すると共に、ステップ１０１３ｓに進んで、ユーザに高効率運転ができない旨を報知する。 この操作については、エンジン再始動後に圧縮着火燃焼モードに入れる場合に数度行ない、全て圧縮着火禁止状態と判定させる場合にはユーザに警告を行なって、装置およびエンジンのメンテナンスを促す。
【００４７】
ステップ１００６ｓに戻って、全気筒の筒内圧ピーク時期が所定範囲内にある場合には、ステップ１００７ｓへ進んで、全気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲内にあるかどうかを判定する。このとき、全気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲内である場合には、好適な圧縮着火燃焼が行なわれているものと判定される。
【００４８】
しかし、何れかの気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲外である場合には、燃焼が正常に行なわれていないものと判定できるので、ステップ１０１０ｓに進んで燃焼状態の制御を行ない（この制御手法の詳細については後述する）、ステップ１０１１ｓに進んで、再度全気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲内にあるか否かを判定する。所定範囲外の場合には、前述したステップ１０１２ｓ、１０１３ｓに進む。
【００４９】
即ち、前記の如き、気筒別燃焼状態の推定と制御を行なうことによって、装置（車両等）やエンジン１２の劣化時や機器ばらつきなどに対しても、エンジン１２の燃費・排気、又は、エンジン１２を搭載した装置の運転性能を大幅に悪化させることがないために、耐久性およびロバスト性に優れた多気筒エンジン１２およびそれを搭載した装置を提供することができる。
【００５０】
次に、図４〜図６を用いて、本実施形態のエンジン１２の各気筒の燃焼状態の推定方法及び燃焼状態制御方法について詳細に説明する。
【００５１】
図４は、本実施形態におけるエンジン１２の各気筒の圧縮着火燃焼モードにおける燃焼状態制御手段の制御フローチャートである。前述した手法で各気筒の燃焼状態を検出した後、これらに基づいて、各気筒の圧縮着火燃焼を制御するものである。
【００５２】
まず、各気筒の燃焼状態の推定結果から、ステップ１０１４ｓにおいて、全ての気筒の筒内圧ピーク時期が所定範囲内にあるかどうかについて判定する。所定範囲内にある場合、全ての気筒で適正な時期に燃焼しているものと推定できるので、ステップ１０１９ｓに進んで、全ての気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲内にあるかどうかについて判定する。
【００５３】
ステップ１０１４ｓでピーク時期が所定範囲外にある気筒があると判定されると、ステップ１０１５ｓに進んで、当該気筒のピーク時期が所定範囲の時期より早いか遅いかを判定する。ピーク時期が遅い場合には、ステップ１０１６ａｓに進んで可変バルブ１６ａおよび１６ｂを用いて内部ＥＧＲ量を増加し、全気筒の混合気の着火性を向上、すなわち着火時期を早期化する。エンジン回転数が比較的高回転（２０００回転以上）である場合は、内部ＥＧＲ増加に伴う吸入空気量減少で圧縮着火燃焼成立しない場合があるので、ステップ１０１６ｂｓに進んで変速比設定ロジック４から変速機１７に信号を送り、エンジン回転数を若干減少し、１サイクルあたりの燃料量を増加することで着火性を向上させ、出力同等となるように制御してもよい。また、本実施形態では図示していないが、過給装置が吸気側についている場合には、吸入空気量を増加して筒内圧力を向上させることで、着火時期を早期化することも可能である。
【００５４】
ステップ１０１５ｓにおいてピーク時期が早いと判定される場合には、ステップ１０１６ｃｓに進んで可変バルブ１６ａ、１６ｂを用いて内部ＥＧＲ量を減少し、全気筒の着火時期を遅延化する。この時ステップ１０１６ｄｓに進んで変速比設定ロジック４から変速機１７に信号を送り、エンジン回転数を若干増加し、１サイクルあたりの燃料量を減少することで、出力同等となるように制御してもよい。
【００５５】
これらステップ１０１６ａｓ〜１０１６ｄｓの制御で所定範囲内、もしくは、その近辺に各気筒の燃焼状態を制御した後、ステップ１０１７ｓに進んで気筒別の噴射割合制御を行なうことで、より高効率運転できるように各気筒間の筒内圧ピーク時期を所定時期に揃える。
【００５６】
次に、ステップ１０１８ｓに進んで、気筒間の筒内圧ピーク時期のずれ量が所定値以上であるかどうかを判定する。このずれ量が大きい場合、燃焼が遅くなる気筒から未燃ＨＣが排出されやすく、燃焼が早い気筒からは甲高い燃焼音発生やエンジン損傷が発生しやすくなる。このずれ量が大きい場合は、ステップ１０２４ｓに進んで圧縮着火燃焼モードを禁止し、装置のユーザに高効率運転できない旨を報知する（ステップ１０２５ｓ）。この操作について、報知後にエンジン再始動して、所定条件となれば圧縮着火燃焼モードに入れるが、何度か続けて圧縮着火禁止状態と判定される場合にはユーザに警告を行なって、装置およびエンジンのメンテナンスを促す。
【００５７】
ステップ１０１８ｓにおいて、筒内圧ピーク時期のずれ量が所定値内であると判定されると、次にステップ１０１９ｓに進んで全気筒の筒内圧ピーク値が所定範囲内であるかどうかを判定する。所定範囲内にある場合、全ての気筒で適正な時期に燃焼しているものと推定できる。
【００５８】
ステップ１０１９ｓにおいてピーク値が所定範囲外にある気筒があると判定されると、ステップ１０２０ｓに進んで、当該気筒のピーク値が所定範囲より高いか低いかを判定する。ピーク値が低い場合には、ステップ１０２１ａｓに進んで可変バルブ１６ａ、１６ｂを用いて内部ＥＧＲ量を増加し、全気筒の混合気の着火性を向上することで、燃焼による熱発生が起こりやすい状態にする。エンジン回転数が比較的高回転（２０００回転以上）である場合は、内部ＥＧＲ増加に伴う吸入空気量減少で圧縮着火燃焼成立しない場合があるので、ステップ１０２１ｂｓに進んで変速比設定ロジック４から変速機１７に信号を送り、エンジン回転数を若干減少し、１サイクルあたりの燃料量を増加することで着火性を向上させ、出力同等となるように制御してもよい。また、本実施形態では図示していないが、過給装置が吸気側についている場合には、吸入空気量を増加して筒内圧力を向上させることで、着火性を向上することも可能である。
【００５９】
ステップ１０２０ｓにおいてピーク値が高いと判定される場合には、ステップ１０２１ｃｓに進んで可変バルブ１６ａ、１６ｂを用いて内部ＥＧＲ量を減少し、筒内温度を下げることで、燃焼の熱発生が緩慢になるようにする。この時ステップ１０２１ｄｓに進んで変速比設定ロジック４から変速機１７に信号を送り、エンジン回転数を若干増加し、１サイクルあたりの燃料量を減少することで、出力同等となるように制御してもよい。
【００６０】
これらステップ１０２１ａｓ〜１０２１ｄｓの制御で、ピーク値が所定範囲内に各気筒の燃焼状態を制御した後、ステップ１０２２ｓに進んで気筒別の噴射割合制御を行なうことで、より高効率運転できるように各気筒間の筒内圧ピーク時期を所定時期に揃え、ピーク値を所定範囲内に収めるように制御する。
【００６１】
次に、ステップ１０２３ｓに進んで、再度、気筒間の筒内圧ピーク値が所定範囲内であるかどうかを判定する。所定範囲外にあると判定されると、ステップ１０２４ｓに進んで、圧縮着火燃焼モードを禁止し、装置のユーザに高効率運転できない旨を報知する（ステップ１０２５ｓ）。この操作について、報知後にエンジン再始動して、所定条件となれば圧縮着火燃焼モードに入れるが、何度か続けて圧縮着火禁止状態と判定される場合にはユーザに警告を行なって、装置およびエンジンのメンテナンスを促す。
【００６２】
前記のような燃焼状態制御により、全ての気筒の燃焼状態を揃えることができるため、エンジン機器のばらつきや劣化などによる燃焼ばらつきを防止して、高効率かつ低排気運転することができる。
【００６３】
図５は、本実施形態で用いる吸排気可変バルブ１６ａ、１６ｂのリフトカーブ特性の一例を示している。本実施形態では、図５のように、吸排気バルブ１６ａ、１６ｂのバルブリフト量と作用角を制御することによって、排気を閉じ込める期間（以下、マイナスオーバーラップ期間）を変化させて、内部ＥＧＲを連続制御する可変バルブを用いたものである。
【００６４】
この場合、各気筒に電磁駆動弁を設けて気筒毎にマイナスオーバーラップ期間を連続可変させても良いが、多気筒エンジンでは気筒数の増加に伴い、大幅なコストアップとなってしまう。このため、全気筒同時に、バルブリフト量および作用角を可変にする装置を設け、運転条件によって連続的にマイナスオーバーラップ量を変化させるようにしたことで、本発明の目的が達成できる構成とした。
【００６５】
図６は、本実施形態の燃料の噴射制御手法の一例を示したものである。本実施形態においては、燃料噴射方式は筒内噴射であるため、運転条件に応じて噴射時期などを変化させることにより、混合気状態を任意に制御可能である。
【００６６】
図６の（ａ）に示すように、燃料噴射を複数回に分けて行い、はじめの１回は、マイナスオーバーラップ期間中に噴射して燃料の一部をラジカル化する方式を適用し、これを気筒毎に噴射割合を変化させることで、気筒間の燃焼ばらつきを抑制するものである。
このとき、図６の（ｂ）に示すように、１回目の噴射割合が多くなる領域では排気行程中や吸気行程中に爆発してしまうことがあるので、具体的には１回目の噴射割合が総噴射量に対して３／４以上とならないような範囲で噴射割合制御を行なう。
【００６７】
図７は、これまでに説明した各気筒の燃焼状態の推定方法や制御手法を４気筒エンジンの圧縮着火運転モードに適用した場合の燃焼状態について示したものである。
【００６８】
図７の（ａ）の（ｉ）は、一番気筒（＃１）の筒内圧ピーク時期がある運転条件で所定範囲からずれている（遅れている）場合を示している。これに前述した燃焼状態制御手法を適用することで、（ａ）の（ｉｉ）のように、全気筒の筒内圧ピーク時期が所定範囲内に収まり、高効率かつ低排気運転が可能となっていることが解る。この筒内圧ピーク時期が、燃焼状態制御を実行後も所定範囲内に収まらない場合には、高効率かつ低排気なエンジン運転を継続することは困難なので、圧縮着火燃焼モードを禁止し、そのエンジンを搭載している装置のユーザにその旨を報知する。
また、図７の（ｂ）の（ｉ）は、一番気筒（＃１）の筒内圧ピーク値がある運転条件で所定値より低い場合を示している。この場合、図７の（ｂ）の（ｉ）ように、ピーク値およびピーク時期が明確ではなく、失火や不完全燃焼などにより燃焼効率が落ち、未燃ＨＣなどを大量に排出している可能性がある。これに前記した燃焼状態制御手法を適用することで、図７の（ｂ）の（ｉｉ）のように、全気筒で筒内圧ピーク時期が所定範囲内で、かつ筒内圧ピーク値が所定値以上となり、高効率かつ低排気なエンジン運転が可能になっていることが解る。
【００６９】
これも図７の（ａ）の場合と同様、この筒内圧ピーク時期が燃焼状態制御を実行後も所定範囲内に収まらない、もしくは筒内圧ピーク値が所定値よりも低い場合には、高効率かつ低排気なエンジン運転を継続することは困難なので、圧縮着火燃焼モードを禁止し、そのエンジンを搭載している装置のユーザにその旨を報知する。
【００７０】
なお、本実施形態のエンジン１２の構成としては、燃料噴射は筒内噴射方式としているが、吸気管へ燃料を噴射する方式であっても構わない。この場合、気筒別の噴射割合制御ができなくなるが、その他の燃焼状態制御によって同様なことが実現できる。
また、変速機１７についても、所定回転数を実現しやすい無段自動変速方式（以下、ＣＶＴ）であることが望ましいと前述したが、有段歯車方式（以下、ＭＴ）や有段歯車自動変速方式（以下、ＡＴ）などの他の変速方式を用いる構成であっても、本実施形態に記載の燃焼状態制御を実現可能である。
【００７１】
図８は、本発明の第二の実施形態として、各気筒の燃焼状態推定手段の入力信号のためのセンサとして、筒内圧センサ２３を用いた場合のエンジンシステムの構成図を示したものである。各気筒に筒内圧センサ２３を設置することで、コストアップは避けられないが、より高精度に筒内の燃焼状態を推定することができるため、第一の実施形態の場合に比べ、より高効率かつ低排気なエンジン運転を実現することができる。
【００７２】
図９は、本発明の第三の実施形態のエンジンのシステムの構成を示したもので、各気筒の燃焼状態推定手段の入力信号のためのセンサとして、エンジンの出力軸１５にギア２５、２７を介した回転電動機（以下、モータ）２４を用いた場合の構成図を示したものである。このモータ２４を設置することで、圧縮着火燃焼モード中のエンジントルクを高精度に検出できるため、これによって各気筒の燃焼状態を推定することができる。
更に、通常はハイブリッド自動車としてエンジントルクを補ったり、変速中や燃焼切り換え中のトルク変動を抑制することが可能なため、システムとしての導入効果が大きいものである。
【００７３】
図１０は、本発明の第四の実施形態として、エンジンの制御装置を搭載する装置が、発電装置である場合のエンジンのシステム構成を示したものである。図１０の発電装置は、モータジェネレータ２１とインバータ２２とからなっている。エンジン１２としては、前記第一、第二、第三の実施形態で示した構成であって構わない。
【００７４】
図１０に示すように、エンジン１２の出力は、モータジェネレータ２１、インバータ２２を介して、電力として外部に供給する構成となっている。ＰＣＵ１には、装置運転中の外部情報Ｄ（気象条件、系統状態、電力需要などの情報）が取り込まれている。このとき、インバータ２２に回転数比設定手段４ａからの信号によって、入力回転数および出力周波数の制御を行なうことで、エンジン回転数を制御し、前記説明したような各気筒の燃焼状態推定と燃焼状態制御が可能となる。即ち、これまでの実施形態と同様に、発電装置に対して本実施形態の制御装置を適用することで、高効率かつ低排気な装置運転を実現することができる。
【００７５】
以上、本発明のいくつかの実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。
【００７６】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の多気筒エンジンの制御装置は、圧縮着火燃焼モード運転において、各気筒の筒内圧力ピーク値およびピーク時期を適正に制御できるので、圧縮着火燃焼時の気筒間およびサイクル間での燃焼ばらつきを抑えて、エンジンの燃費・排気特性に優れた圧縮着火燃焼を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例にかかる多気筒エンジンの制御装置のエンジンシステム構成図。
【図２】図１の多気筒エンジンの制御装置に係わるものであって、（ａ）は、多気筒エンジンのシリンダ部に装着された振動検出センサの模式図、（ｂ）は、該振動選出センサの出力特性図、（ｃ）は、多気筒エンジンの圧縮着火燃焼モード運転時の気筒内の圧力履歴図、及び、（ｄ）は、多気筒エンジンの圧縮着火燃焼モード運転時の振動検出センサによる気筒内の出力値履歴図。
【図３】図１の多気筒エンジンの制御装置の圧縮着火燃焼モード運転中の場合の制御フローチャート。
【図４】図１の多気筒エンジンの制御装置の圧縮着火燃焼モード運転中の場合の気筒内圧のピーク時期及びピーク値に基づく可変バルブ制御及びエンジン回転数制御の制御フローチャート。
【図５】図１の多気筒エンジンの制御装置の吸排気可変バルブのリフトカーブ特性の一例を示す図。
【図６】図１の多気筒エンジンの制御装置の燃料の噴射制御手法の一例を示したもので、（ａ）は、吸排気可変バルブの開閉と燃料噴射時期（複数回噴射）を示す図、（ｂ）は、一回目噴射量と圧縮着火時期との関係を示す図。
【図７】図１の多気筒エンジン（４気筒）の制御装置の圧縮着火運転モード運転状態での各気筒内のピーク時期とピーク値を示すもので、（ａ）の（ｉ）は、特定気筒の気筒内圧のピーク時期が遅い場合を示す図、（ａ）の（ｉｉ）は、燃焼制御により（ａ）の（ｉ）の状態を解消した図、（ｂ）の（ｉ）は、特定気筒の気筒内圧のピーク値が低い場合を示す図、（ｂ）の（ｉｉ）は、燃焼制御により（ｂ）の（ｉ）の状態を解消した図。
【図８】本発明の第二の実施例にかかる多気筒エンジンの制御装置のエンジンシステム構成図。
【図９】本発明の第三の実施例にかかる多気筒エンジンの制御装置のエンジンシステム構成図。
【図１０】本発明の第四の実施例にかかる多気筒エンジンの制御装置のエンジンシステム構成図。
【符号の説明】
１…パワートレーンコントロールユニット（制御装置）、２…気筒別燃焼状態推定手段、３…可変バルブ条件設定手段、４…変速比設定手段、５…振動検出センサ、６…エアフローセンサ、７…スロットル、８…吸気ポート、９…インジェクタ、１０…スタータ、１１…燃焼室（筒内）、１２…エンジン、１３…回転数センサ、１４…摩擦クラッチ、１５…エンジン出力軸、１６ａ…吸気用可変バルブ、１６ｂ…排気用可変バルブ、１７…変速機、１８…変速機出力軸、１９…減速ギア、２０…車輪、２１…モータジェネレータ、２２…インバータ、２３…筒内圧センサ、２４…モータジェネレータ、２５…ギア、２７…ギア
Claims (24)
- 圧縮着火燃焼もしくは該圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換え可能な多気筒エンジンの制御装置であって、
該制御装置は、各気筒別の燃焼状態を推定する気筒別燃焼状態推定手段と、前記各気筒別の燃焼状態を制御する燃焼状態制御手段と、を備え、
該燃焼状態制御手段は、圧縮着火燃焼モード運転時に、該モード運転時の前記気筒別燃焼状態推定手段の前記燃焼状態の推定に基づいて、前記各気筒別に燃焼状態を制御することを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。 - 前記気筒別燃焼状態推定手段は、前記各気筒の筒内圧力のピーク値と該筒内圧力のピーク時期とを推定するものであり、前記燃焼状態制御手段は、前記各気筒の筒内圧力の前記ピーク値が所定範囲内、及び／又は、前記ピーク時期がピストン上死点後の所定期間内になるように制御することを特徴とする請求項１に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記燃焼状態制御手段は、前記多気筒エンジンの運転条件、前記多気筒エンジンを搭載した装置の運転状態、前記装置のユーザのユーザ意図等に基づいて、更に、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼との切り換え等を含む他の燃焼状態を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記気筒別燃焼状態推定手段は、前記多気筒エンジンのシリンダブロック、もしくは、シリンダヘッドに設けた振動検出センサの振動信号に基づいて燃焼状態を推定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記気筒別燃焼状態推定手段は、前記多気筒エンジンの出力軸に直接またはギアを介して接続する少なくとも一つの回転電動機からの信号に基づいて燃焼状態を推定することを特徴とする請求項１又は３に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記気筒別燃焼状態推定手段は、前記多気筒エンジンの少なくとも一つの気筒に設けた筒内圧力センサからの信号に基づいて燃焼状態を推定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記燃焼状態制御手段は、吸気弁および排気弁のバルブタイミング及びバルブリフト量のうち少なくともどれか一つを変化させて内部ＥＧＲ量を変化させる可変バルブ機構と、前記多気筒エンジンの燃焼室に直接または間接的に燃料を噴射する燃料噴射装置と、前記多気筒エンジンの出力軸トルクを車両の動力伝達系に変速比を調整して伝達する変速機と、の少なくとも何れか一つを制御することを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記燃焼状態制御手段は、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の前記筒内圧力のピーク値が所定値より低いか、もしくは、前記筒内圧力のピーク時期が所定時期より遅いと推定された場合に、前記可変バルブ機構によりマイナスオーバーラップ量を増して内部ＥＧＲ量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項７に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記燃焼状態制御手段は、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記気筒の内の少なくとも一つの気筒の筒内圧力のピーク値が所定値より高いか、もしくは、ピーク時期が所定時期より早いと推定された場合に、前記可変バルブ機構によりマイナスオーバーラップ量を減じて内部ＥＧＲ量を減少させる制御を行うことを特徴とする請求項７に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記燃焼状態制御手段は、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記気筒の内の少なくとも一つの気筒の筒内圧力ピーク値が所定値より低い、もしくは、ピーク時期が所定時期より遅いと推定される場合に、前記変速機により変速比を制御してエンジン回転数を減少させる制御行うことを特徴とする請求項７に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記燃焼状態制御手段は、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記気筒の内の少なくとも一つの気筒の筒内圧力ピーク値が所定値より高い、もしくは、ピーク時期が所定時期より早いと推定される場合に、前記変速機により変速比を制御してエンジン回転数を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項７に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記燃焼状態制御手段は、更に、前記燃料噴射装置から各気筒に供給される１サイクル当たりの燃料量を増加させることを特徴とする請求項１０に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記燃焼状態制御手段は、更に、前記燃料噴射装置から各気筒に供給される１サイクル当たりの燃料量を減少させることを特徴とする請求項１０に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記燃料噴射装置は、筒内に直接燃料噴射する方式であり、前記燃焼状態制御手段は、前記圧縮着火燃焼モード時に前記可変バルブ機構によるマイナスオーバーラップ期間中に少なくとも１度の燃料噴射を行うべく制御し、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の前記筒内圧力のピーク値が所定値より低いか、もしくは、前記筒内圧力のピーク時期が所定時期より遅いと推定された場合は、前記マイナスオーバーラップ期間中に前記燃料噴射装置から前記気筒内に噴射する燃料量を増加する制御を行うことを特徴とする請求項８に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記燃料噴射装置は、筒内に直接燃料噴射する方式であり、前記燃焼状態制御手段は、前記圧縮着火着火燃焼モード時に前記可変バルブ機構によるマイナスオーバーラップ期間中に少なくとも１度の燃料噴射を行うべく制御し、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、前記気筒の内の少なくとも一つの気筒の筒内圧力のピーク値が所定値より高いか、もしくは、ピーク時期が所定時期より早いと推定された場合は、前記マイナスオーバーラップ期間中に前記燃料噴射装置から前記気筒内に噴射する燃料量を減少する制御を行うことを特徴とする請求項９に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記制御装置は、前記気筒別燃焼状態推定手段の推定に基づき、少なくとも一つの気筒の筒内圧力のピーク値が所定範囲外、もしくは、該筒内圧力のピーク時期が所定期間外であると推定される場合は、前記多気筒エンジンにおける圧縮着火燃焼モード運転を禁止するか、もしくは、火花点火燃焼モード運転に切り換えることを特徴とする請求項１から１５の何れか一項に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 前記圧縮着火燃焼モードを禁止した場合は、前記多気筒エンジンを搭載した装置のユーザに警告することを特徴とする請求項１６に記載の多気筒エンジンの制御装置。
- 圧縮着火燃焼制御もしくは該圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換え制御する多気筒エンジンの制御方法であって、
前記圧縮着火燃焼モード運転時に、各気筒別に、前記モード運転時の燃焼状態を推定し、該各気筒別に推定した燃焼状態に基づいて、前記各気筒をその気筒別に燃焼状態の制御をすることを特徴とする多気筒エンジンの制御方法。 - 前記多気筒エンジンの運転条件、前記多気筒エンジンを搭載した装置の運転状態、前記装置のユーザのユーザ意図等に基づいて、更に、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼との切り換え等を含む他の燃焼状態の制御を行うことを特徴とする請求項１８に記載の多気筒エンジンの制御方法。
- 前記気筒別の燃焼状態の推定は、前記各気筒の筒内圧力のピーク値と該筒内圧力のピーク時期とを推定するものであり、前記燃焼状態の制御は、前記各気筒の筒内圧力の前記ピーク値が所定範囲内、及び／又は、前記ピーク時期がピストン上死点後の所定期間内になるように制御をすることを特徴とする請求項１８又は１９に記載の多気筒エンジンの制御方法。
- 前記各気筒の筒内圧力は、前記多気筒エンジンの振動周波数を検出し、該振動周波数を解析した値であることを特徴とする請求項２０に記載の多気筒エンジンの制御方法。
- 前記各気筒の筒内圧力は、前記多気筒エンジンの少なくとも１つの気筒に設けた筒内圧力センサの値であることを特徴とする請求項２０に記載の多気筒エンジンの制御方法。
- 圧縮着火燃焼制御もしくは該圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換え制御する多気筒エンジンの制御方法であって、
前記圧縮着火燃焼モード運転時に、各気筒別に、前記モード運転時の燃焼状態を推定し、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の前記筒内圧力のピーク値が所定値より低いか高いか、もしくは、前記筒内圧力のピーク時期が所定時期より遅いか早いかの内、少なくともいすれか一つが推定された場合に、前記気筒の可変バルブ機構によりマイナスオーバーラップ量を増減して内部ＥＧＲ量を増減させて燃焼状態の制御をすることを特徴とする多気筒エンジンの制御方法。 - 更に、前記各気筒の内の少なくとも一つの気筒の筒内圧力ピーク値が所定値より低いか高いか、もしくは、ピーク時期が所定時期より遅いか早いかの内、少なくともいすれか一つが推定された場合に、変速機により変速比を制御してエンジン回転数を増減させ、燃料噴射装置から各気筒に供給される１サイクル当たりの燃料量を増減させることを特徴とする請求項２３に記載の多気筒エンジンの制御方法。
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