JP2006037767A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自己着火燃焼から火花点火燃焼へ燃焼状態を切り換えた後の運転においてトルク段差を抑制する。
【解決手段】 火花点火の有無を判断し（Ｓ１）、要求トルクＴｒｑ、エンジン回転数Ｎｅおよび筒内温度Ｔｍｐを算出し（Ｓ１５）、自己着火燃焼領域にあるか否かを判断することで、自己着火燃焼から火花点火燃焼への切換を検出する（Ｓ１６）。自己着火燃焼から火花点火燃焼に切り換わった場合には、ＥＧＲ量を推定し（Ｓ２０）、目標酸素濃度決定、スロットルバルブ開度設定および酸素富化バルブ開度設定を行い（Ｓ２１〜Ｓ２３）、酸素濃度に応じた燃料噴射を行い（Ｓ２４〜Ｓ２８）、火花点火燃焼を行う（Ｓ２９）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、自己着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換えて運転する内燃機関の燃焼制御装置に関する。

従来、運転条件に応じて自己着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換えて運転する内燃機関の制御装置として、例えば特許文献１に記載のものがある。特に、自己着火燃焼による運転は、超リーン空燃比燃焼による燃費の向上と、燃焼温度の低下によるＮＯｘの低減とを図るという目的を達成するためには適している。
特許文献１では、低負荷運転時において自己着火燃焼による運転から火花点火燃焼による運転に切り換える前に、着火補助としてオゾンを供給することが開示されている。
特開２００３−３８７３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関では、自己着火燃焼による運転における燃焼安定性のために、燃焼切換前にオゾンを供給するものであり、自己着火燃焼から火花点火燃焼に切り換わった後にはトルク段差（トルクの低下）が生じるおそれがある。
これは、自己着火燃焼による運転を行うには筒内温度が所定温度以上でなければならず、この温度を確保するためには内部ＥＧＲ量を多くする必要があるが、自己着火燃焼から火花点火燃焼に切り換わったときには、気筒内の残ガスが吸気側に吹き返されることで、吹き返しの分だけ吸入新気量（酸素濃度）が減少するためである。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、自己着火燃焼から火花点火燃焼に切り換えた後の運転においてトルク段差を抑制することを目的とする。

そのため本発明では、酸素富化膜を有して、機関への吸入空気中の酸素濃度を制御可能な酸素富化装置を設け、自己着火燃焼から火花点火燃焼への切り換え時に、筒内のＥＧＲ量に応じて、吸入空気中の酸素濃度を制御する。

本発明によれば、吸入空気中の酸素濃度を制御、具体的には、酸素濃度を増大させてトルク増大を図ることで、自己着火燃焼から火花点火燃焼への切り換えを検出した後のトルク段差を抑制できるという効果がある。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関の制御装置をガソリンエンジンに適用した場合における第１の実施形態を示すシステム構成図である。
図中のエンジン本体１０は、吸気バルブ１１、排気バルブ１２、ピストン１３、シリンダ１４、燃料噴射弁１５、点火プラグ１６、及び可変バルブタイミング機構１７を含んで構成されている。エンジン本体１０には、吸気通路１９および排気通路２０が接続されている。

吸気バルブ１１および排気バルブ１２は、可変バルブタイミング機構１７により開閉が制御される。ピストン１３およびシリンダ１４により燃焼室が形成される。燃料噴射弁１５は、燃焼室上部に配設されており、燃焼室内に直接燃料を噴射する。点火プラグ１６は、燃焼室内に形成された混合気に点火をする。
吸気通路１９には、上流側からエアダクト２１および過給機２２が配置されている。エアダクト２１と過給機２２との間の吸気通路１９は、第１吸気通路１９ａおよび第２吸気通路１９ｂの２つに分割されている。第１吸気通路１９ａには、スロットルバルブ（電制スロットル弁）２３が配置されている。第２吸気通路１９ｂには酸素富化膜２５が配置され、その上流側に酸素富化バルブ（電制スロットル弁）２４が配置されている。

酸素富化膜２５は、分子が膜に溶ける速度の差を利用して気体を分離するもので、前後差圧を発生させることで、窒素に比べて酸素の透過度が高いことから、高酸素濃度の空気（酸素富化空気）を得ることができる。そして、前後差圧を発生させるために、酸素富化膜２５の上流側に酸素富化バルブ２４が設けられ、その開度を制御することで、酸素濃度を制御可能となっている。酸素富化膜２５および酸素富化バルブ２４により酸素富化装置が構成される。

なお、図示しないが、酸素富化膜２５の上流側には高窒素濃度の空気を排出する通路があり、酸素富化膜２５には常に新気が供給されるようになっている。
そして、運転状態を検出するために各種センサが配設されている。図示の通り、吸気通路１９には、吸気圧センサ２６、吸気酸素濃度センサ２７および吸気温度センサ２８が配設されている。この他にも、クランク角センサ２９や、シリンダ１４（燃焼室）内の状態を検出するための筒内温度センサ３０および筒内圧力センサ３１が配設されている。更に、アクセル開度ＡＰＯに応じた出力をするアクセル開度センサ３２が配設されている。これらのセンサからの出力信号がＥＣＵ４０に入力される。

ＥＣＵ４０は、各センサからの出力信号に基づいて演算を行い、これに基づいて各種制御を行う。例えば、自己着火燃焼と火花点火燃焼とによる運転を切り換える制御、スロットルバルブ２３および酸素富化バルブ２４の開度制御、燃料噴射量制御、点火プラグ１６への点火信号の出力制御等を行う。更にＥＣＵ４０は、可変バルブ機構１７のカムの位相若しくは作動角を変更可能である。

なお、図１においては過給機２２の上流に酸素富化膜２５を配設したが、図２に示す通り、過給機２２の下流の吸気通路１９ｂに酸素富化膜２５を配設するようにしてもよい。これは、図１では過給機２２を酸素富化膜２５より下流側に配設し、酸素富化バルブ２４を閉じることで過給機２２による負圧を利用して酸素濃度を増加させることとしている一方、図２では過給機２２を酸素富化膜２５より上流側に配設し、酸素富化バルブ２４を開くことで過給機２２による加圧（正圧）を利用して酸素濃度を増加させるためである。

次に、内燃機関の制御装置の制御について図３のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ１（図には「Ｓ１」と示す。以下同様）では、点火信号を検知する。点火信号の検知はＥＣＵ４０の点火信号の有無により判断する。点火信号が検知された場合には、火花点火燃焼の状態であると判断してステップ２へ進む。一方、点火信号が検知されなかった場合には、自己着火燃焼の状態であると判断してステップ１５へ進む。

ステップ２では、要求トルク（要求負荷）Ｔｒｑ、エンジン回転数Ｎｅおよび筒内温度Ｔｍｐを算出する。ここで要求トルクＴｒｑは、アクセル開度ＡＰＯおよびエンジン回転数Ｎｅに基づいて算出する（または燃料噴射弁１５からの燃料噴射量に基づいて算出する）。アクセル開度ＡＰＯは、アクセル開度センサ３２の出力信号に基づいて算出する。エンジン回転数Ｎｅは、クランク角センサ２９の出力信号に基づいて算出する。筒内温度Ｔｍｐは、筒内温度センサ３０の出力信号に基づいて算出する。燃料噴射量は、ＥＣＵ４０からの出力信号に基づいて算出する。

ステップ３では、自己着火燃焼領域であるか否か、すなわち燃焼状態の切り換えの有無を判断する。この判断は、図４に示す運転領域図を用いて行う。図４では、横軸にエンジン回転数Ｎｅ、縦軸にトルク（要求トルク）Ｔｒｑを示している。図示の通り、高負荷側（高回転側）では火花点火燃焼による運転領域である一方、低負荷側（低回転側）では自己着火燃焼による運転領域となっている。そして、酸素濃度富化によって拡がった場合（本実施形態）の自己着火燃焼の運転領域と、酸素濃度富化を行わない場合（従来）の自己着火燃焼による運転領域とを示している。

なお、図４は、筒内温度Ｔｍｐがエンジン回転数ＮｅおよびトルクＴｒｑに及ぼす影響を考慮したマップを用いてもよく、このマップを参照することで自己着火燃焼領域であるか否かの判断を行うようにしてもよい。これは自己着火燃焼には、所定温度以上の筒内温度が必要となるためである。
運転状態が火花点火燃焼による運転領域から自己着火燃焼による運転領域に切り換わった場合には、ステップ４へ進む。一方、運転状態が火花点火燃焼による運転領域に無い場合、すなわち火花点火燃焼による運転領域である場合にはステップ１４へ進み、火花点火燃焼状態を継続する。

ステップ４では、自己着火切換制御を開始する。
ステップ５では、吸入空気中の目標酸素濃度を決定する。この目標酸素濃度は、要求トルクＴｒｑおよびエンジン回転数Ｎｅにより決定する。図５は、自己着火燃焼時の要求トルクＴｒｑと酸素濃度との関係を示す図である。要求トルクＴｒｑが高くなれば酸素濃度も高くなることを示している。なお、エンジン回転数Ｎｅが高い時にも目標酸素濃度が高くなる。

ステップ６では、スロットルバルブ２３の開度を設定する。この開度は、ステップ５にて決定された目標酸素濃度に応じて設定する。目標酸素濃度が高い場合にはスロットルバルブ２３の開度を小さくする一方、目標酸素濃度が低い場合にはスロットルバルブ２３の開度を大きくする。
ステップ７では、酸素富化バルブ２４の開度を設定する。この開度は、ステップ５にて決定された目標酸素濃度に応じて設定する。前述の負圧式（図１）では、目標酸素濃度が高い場合には酸素富化バルブ２４の開度を小さくする一方、目標酸素濃度が低い場合には酸素富化バルブ２４の開度を大きくする。また、前述の加圧式（図２）では、目標酸素濃度が高い場合には酸素富化バルブ２４の開度を大きくする一方、目標酸素濃度が低い場合には酸素富化バルブ２４の開度を小さくする。

ステップ６およびステップ７の処理を行い、スロットルバルブ２３および酸素富化バルブ２４の開度をバランス良く制御することにより、吸入空気中の酸素濃度を所定値（目標酸素濃度）に定めることができる。これらの処理によって酸素濃度を高くするのは、失火を回避して自己着火燃焼による運転領域を中負荷領域まで拡げるためである。
図４では、酸素濃度富化なしの場合（従来）の自己着火燃焼による運転領域（破線にて囲まれた運転領域）が、吸入空気中の酸素濃度富化によって高エンジン回転数および高トルク側に拡がったことを示している。そして、自己着火燃焼により、超リーン燃焼による燃費の向上が図れると共に、筒内の温度が低くともＮＯｘを発生すること無く運転が行える。

ステップ８では、吸入空気量を検知する。吸入空気量は、吸気圧センサ２６の出力信号に基づいて算出する。
ステップ９では、吸入空気中の酸素濃度を検知する。酸素濃度は、酸素濃度センサ２７の出力信号に基づいて算出する。
ステップ１０では、負のオーバーラップを大きくするように吸気バルブ１１および排気バルブ１２の開閉タイミングを決定する。ここでは、自己着火燃焼のために、筒内温度を上げ、内部ＥＧＲ量を大きくし、吸気バルブ１１と排気バルブ１２とが共に閉時期となる負のオーバーラップを大きくする。

図６は、自己着火燃焼時の負のオーバーラップ量を示す図であり、（イ）はエンジン回転数Ｎｅに応じた負のオーバーラップ量、（ロ）は負のオーバーラップ量を示している。エンジン回転数Ｎｅが高い場合には、負のオーバーラップ量が大きくなる。
また、図７および図８は、負のオーバーラップ量を実現するための手段を示す図である。

図７では、負のオーバーラップ量は、吸気バルブ１１および排気バルブ１２の中心位相を変化させるＶＴＣ（Valve Timing Control System；バルブタイミングコントロールシステム）と、吸気バルブ１１および排気バルブ１２の作動角を変化させるＶＥＬ（Continuous Variable Valve Event and Lift Control System；連続バルブ作動角・リフト可変システム）との組み合わせにより実現する。

吸気バルブ１１について、ＶＴＣは吸気中心を遅角するよう位相を変化させる一方、ＶＥＬはリフト量を小さくするよう作動角を変化させることで開弁時期ＩＶＯを遅らせる。
一方、排気バルブ１２について、ＶＴＣは排気中心を進角するよう位相を変化させる一方、ＶＥＬはリフト量を小さくするよう作動角を変化させることで閉弁時期ＥＶＣを進める。

吸気バルブ１１および排気バルブ１２をこのように変化させることで、排気バルブ１２の閉弁時期ＥＶＣから吸気バルブ１１の開弁時期ＩＶＯまでにおいて、吸気バルブ１１および排気バルブ１２が共に閉となる負のオーバーラップ（ＩＶＯ−ＥＶＣ）を実現する。
図８では、負のオーバーラップ量は、ＶＴＣ（Valve Timing Control System；バルブタイミングコントロールシステム）と、吸気バルブ１１および排気バルブ１２の作動角を変化させるＥＶＡ（Electromagnetic Valve Actuator；電磁バルブアクチュエータ）との組み合わせにより実現する。

吸気バルブ１１について、火花点火燃焼時にはＶＴＣは吸気中心を遅角するよう位相を変化させ、ＥＶＡは作動角を大きくする。そして、自己着火燃焼時にはＶＴＣは吸気中心を遅角するよう位相を変化させ、ＥＶＡは作動角を小さくするよう変化させることで開弁時期ＩＶＯを遅らせる。
一方、排気バルブ１２について、火花点火燃焼時にはＶＴＣは排気中心を進角するよう位相を変化させ、ＥＶＡは作動角を大きくする。そして、自己着火燃焼時にはＶＴＣは排気中心を進角させ、ＥＶＡは作動角を小さくするよう変化させることで閉弁時期ＥＶＣを進める。

吸気バルブ１１および排気バルブ１２をこのように変化させることで、排気バルブ１２の閉弁時期ＥＶＣ’から吸気バルブ１１の開弁時期ＩＶＯ’までにおいて、吸気バルブ１１および排気バルブ１２が共に閉となる負のオーバーラップ（ＩＶＯ’−ＥＶＣ’）を実現する。
再度図３を参照して、ステップ１１では、燃料噴射量を決定する。燃料噴射量は、要求トルクＴｒｑに応じて設定するが、酸素濃度に応じて補正する。図９は、燃料噴射量と酸素濃度とを示す図である。酸素濃度と燃料噴射量とは反比例の関係になっている。

ステップ１２では、燃料噴射タイミングを決定する。
ステップ１３では、ステップ１１および１２にて決定した燃料噴射量および燃料噴射タイミングによって燃料噴射を開始する。
次に、ステップ１にて自己着火燃焼状態であると判断されてステップ１５へ進んだ場合について説明する。

ステップ１５では、前述のステップ２と同じく、要求トルク（要求負荷）Ｔｒｑ、エンジン回転数Ｎｅおよび筒内温度Ｔｍｐを算出する。
ステップ１６では、前述のステップ３と同じく、自己着火燃焼領域であるか否かを判断する。この判断は、前述の図４に示す運転領域図により行う。
なお、図４は、筒内温度Ｔｍｐがエンジン回転数ＮｅおよびトルクＴｒｑに及ぼす影響を考慮したマップを用いてもよく、このマップを参照することで自己着火燃焼領域であるか否かの判断を行うようにしてもよい。

運転状態が自己着火燃焼による運転領域にある場合には、ステップ１７へ進み、自己着火制御を行う。一方、運転状態が自己着火燃焼による運転領域から火花点火燃焼による運転領域に切り換わった場合には、ステップ１８へ進む。
ステップ１８では、火花点火制御切換制御を開始する。
ステップ１９では、火花点火燃焼における通常のオーバーラップ（正のオーバーラップ）に戻すように、吸気バルブ１１および排気バルブ１２の開閉タイミングを決定する。これらの開閉タイミングは、要求トルクＴｒｑおよびエンジン回転数Ｎｅに基づいて決定される。これにより決定されるオーバーラップ量は、吸気バルブ１１および排気バルブ１２が開時期となる正のオーバーラップ量となる。

ステップ２０では、ＥＧＲ量を推定する。ＥＧＲ量は、図１０に示す火花点火切換時のＥＧＲ率推定テーブルにより推定若しくは近似する。ここでは先ず、燃焼状態の切り換え後の火花点火燃焼時における正のオーバーラップ量Ａ（ｄｅｇ、図では「Ｏ／Ｌ」にて示している）と、切り換え前の自己着火燃焼時における負のオーバーラップ量Ｂ（ｄｅｇ）との差ΔＯ／Ｌ（＝Ａ−Ｂ）を算出する。そして、この算出値ΔＯ／Ｌとエンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）とから図１０に示すテーブルを参照し、火花点火切換時のＥＧＲ率（ＥＧＲ量）を算出（推定）する。ここで算出されたＥＧＲ量は、吸気バルブ１１および排気バルブ１２が共に開期間となる正のオーバーラップ量における吹き返しによるＥＧＲ量の値（内部ＥＧＲ量）である。

ここで、従来の内燃機関においては、自己着火燃焼状態から火花点火燃焼状態に切り換わったときには、トルク段差が発生してしまうおそれがあった。これは、自己着火燃焼には所定温度以上の筒内温度が必要であり、この温度を確保するために内部ＥＧＲ量を多くする必要がある一方、自己着火燃焼から火花点火燃焼に切り換わったときには、気筒内の残ガスが吸気側に吹き返され、その分だけ吸入新気量（酸素濃度）が減少することでトルク段差が起こるためである。このトルク段差を解消するには、トルクアップのために酸素濃度を高くする必要がある。

ステップ２１では、吸入空気中の目標酸素濃度を決定する。目標酸素濃度は、ステップ２０にて算出した内部ＥＧＲ量に応じて算出する。図１１は、火花点火燃焼時のＥＧＲ量と酸素濃度とを示す図である。ＥＧＲ量が多くなれば酸素濃度が高くなることを示している。従って、内部ＥＧＲ量が多い場合には、目標酸素濃度を上昇させる。なお、気筒内の残ガスが吹き返されることにより吸気ポート（吸気通路１９）の温度が上昇することから、吸気ポートの温度を考慮して目標酸素濃度を算出してもよい。この場合は、吸気ポートの温度の変化が高い時には、目標酸素濃度を高くする。

ステップ２２では、スロットルバルブ２３の開度を設定する。この開度は、ステップ２１にて決定された目標酸素濃度に応じて設定する。目標酸素濃度が高い場合には、スロットルバルブ２３の開度を小さくする一方、目標酸素濃度が低い場合には、スロットルバルブ２３の開度を大きくする。
ステップ２３では、酸素富化バルブ２４の開度を設定する。この開度は、ステップ２１にて決定された目標酸素濃度に応じて設定する。前述の負圧式（図１）では、目標酸素濃度が高い場合には酸素富化バルブ２４の開度を小さくする一方、目標酸素濃度が低い場合には酸素富化バルブ２４の開度を大きくする。また、前述の加圧式（図２）では、目標酸素濃度が高い場合には酸素富化バルブ２４の開度を大きくする一方、目標酸素濃度が低い場合には酸素富化バルブ２４の開度を小さくする。

ステップ２２およびステップ２３の処理を行い、スロットルバルブ２３および酸素富化バルブ２４の開度をバランス良く制御することにより、吸入空気中の酸素濃度を所定値（目標酸素濃度）に定めることができる。これらの処理によって酸素濃度を高くすることで、気筒内の残ガスが吸気側に吹き返されることによるトルク段差を解消する。
ステップ２４，２５では、ステップ８，９と同じく、吸気圧センサ２６の出力信号および酸素濃度センサ２７の出力信号に基づいて吸入空気量および吸入空気中（吸入空気中に吹き返されたＥＧＲガスを含む）の酸素濃度を検知する。

ステップ２６〜２８では、要求トルクＴｒｑ等に応じて燃料噴射量および燃料噴射タイミングを決定し、燃料噴射を開始する。
ステップ２６では、燃料噴射量を決定する。
ステップ２７では、燃料噴射タイミングを決定する。燃料噴射タイミングは、後述する図１４のＥＧＲ量、吸入空気中の酸素濃度、エンジン回転数Ｎｅおよび要求トルクＴｒｑに基づいて決定する。

ステップ２８では、ステップ２６および２７にて決定した燃料噴射量および燃料噴射タイミングによって燃料噴射を開始する。
ステップ２９では、点火プラグ１６の点火時期を決定して火花点火を行う。
次に、上述の制御を行った場合の各パラメータについて説明する。
図１２は、火花点火燃焼から自己着火燃焼へ切り換えるときにおけるタイミングチャートであり（ステップ４〜ステップ１３）、経過時間に対するエンジン回転数Ｎｅ、要求トルクＴｒｑ、筒内温度Ｔｍｐ、オーバーラップ量、酸素富化バルブ２４の開度、吸入空気中の酸素濃度、燃料噴射量（空燃比）および燃焼状態をそれぞれ示している。なお、火花点火燃焼から自己着火燃焼へ切り換えは、エンジン回転数Ｎｅまたは要求トルクＴｒｑが自己着火運転可能な所定トルクになった時点としている（ステップ３、図４参照）。

図１３は、火花点火燃焼から自己着火燃焼へ切り換えるときにおけるトルクを示している。
この時、火花点火時の高温燃焼ガスによる内部ＥＧＲによって筒内温度が高くなるため、燃焼が急拡大となり、ノッキングの原因となってしまうおそれがある。これを防止するため、酸素濃度を高くして吸入空気中の空燃比をリーン側にすることで燃焼を緩慢にする。但し、エンジン回転数Ｎｅが高回転領域にある場合には、酸素濃度を富化し、内部ＥＧＲ量を多くする。

そして、オーバーラップ量を瞬間的に負の方向に大きくし、その後は緩やかにオーバーラップ量が０になるようにする。この時、エンジン回転数Ｎｅおよび要求トルクＴｒｑは減少する。筒内温度Ｔｍｐは、短時間で急激に低下するがその後は緩やかに低下する。空燃比は、リーンとなる。
火花点火燃焼から自己着火燃焼へ切り換えるときにおいては、より広い運転領域で自己着火燃焼を行うため、酸素濃度を高くする。このため失火が防止され、図４に示す通り、自己着火燃焼による運転領域が拡大する。

具体的には、図１に示すように過給機２２の負圧により酸素富化膜２５の前後差圧を用いて吸入空気中の酸素濃度の富化を行う場合には、バルブ２４の開度を全開にした状態から瞬間的に閉じる方向にし、その後は緩やかに全開側にする。
一方、図２に示すように過給機２２の加圧により酸素富化膜２５の前後差圧を用いて吸入空気中の酸素濃度の富化を行う場合には、バルブ２４の開度を全閉にした状態から瞬間的に全開にし、その後は緩やかに全閉側にする。

また図１４は、自己着火燃焼から火花点火燃焼へ切り換えるときにおけるタイミングチャートであり（ステップ１８〜ステップ２９）、経過時間に対するエンジン回転数Ｎｅ、要求トルクＴｒｑ、筒内温度Ｔｍｐ、オーバーラップ量、ＥＧＲ率、酸素富化バルブ２４の開度、吸入空気（ＥＧＲガス）中の酸素濃度、燃料噴射量（空燃比）および燃焼状態をそれぞれ示している。なお、自己着火燃焼から火花点火燃焼へ切り換えは、要求トルクＴｒｑが自己着火運転可能な所定トルクになった時点としている。図１５は、自己着火燃焼から火花点火燃焼へ切り換えるときにおけるトルクを示している。

自己着火燃焼から火花点火燃焼へ切り換えるときにおいては、トルク段差を吸収するため、酸素濃度を高くする。
この時、酸素富化によりトルクＴｒｑが上昇するため、内部ＥＧＲの吸気側への吹き返しによるトルク段差が吸収される。
そして、オーバーラップ量を緩やかに負の方向とし、燃焼切換後には急激に正側のオーバーラップ量（例えば０でもよい）とする。この時、エンジン回転数Ｎｅおよび要求トルクＴｒｑは上昇する。筒内温度Ｔｍｐは、燃焼切換前は変化が緩やかであるが、切換直後には短時間で急激に上昇し、その後は緩やかに上昇する。空燃比は、リーンからストイキとなる。

ＥＧＲ率（ＥＧＲ量）は、前述の図１０のテーブルから算出（推定）するが、燃焼切換前にはＥＧＲ率が上昇し、燃焼切換後には下降し、その後に一定となる。酸素濃度もＥＧＲ率と同様に変化する。燃料噴射量は、燃焼切換時までは緩やかにリッチとなり、切換後には急激にリッチ側になり、その後は一定の値となる。
本実施形態によれば、運転条件（エンジン回転数Ｎｅ、要求トルクＴｒｑ）に応じて火花点火燃焼と自己着火燃焼とを切り換える内燃機関の燃焼制御装置において、酸素富化膜２５を有して、機関１への吸入空気中の酸素濃度を制御可能な酸素富化装置（酸素富化バルブ２４、酸素富化膜２５）を設け、自己着火燃焼から火花点火燃焼への切り換え時に（ステップ１６）、筒内のＥＧＲ量に応じて、吸入空気中の酸素濃度を制御する（ステップ２１〜２３）。このため、吸入空気中の酸素濃度を制御（増大制御）し、自己着火燃焼から火花点火燃焼への切り換えを検出した後のトルク段差（トルクの低下）を抑制できる。

また本実施形態によれば、自己着火燃焼から火花点火燃焼への切り換え時に（ステップ１６）、筒内のＥＧＲ量が多いほど、吸入空気中の酸素濃度を高くする（ステップ２１、図１１）。このため、ＥＧＲ量が多い時にシリンダ１４（燃焼室）内に吸入空気の酸素濃度を十分に確保することができ、トルク段差を吸収できる。
また本実施形態によれば、筒内のＥＧＲ量は、吸気バルブ１１および排気バルブ１２のバルブオーバーラップ量（およびエンジン回転数Ｎｅ）に基づいて推定する（ステップ２０、図１０）。このため、バルブオーバーラップ量によることで適切にＥＧＲ量を推定でき、適切に吸入空気中の酸素濃度を高くすることができる。

また本実施形態によれば、酸素富化装置は、２つに分割された吸気通路（第１吸気通路１９ａおよび第２吸気通路１９ｂ）のうち一方（第２吸気通路１９ｂ）に介装された酸素富化膜２５と、この酸素富化膜２５の前後差圧を制御可能な酸素富化バルブ２４とから構成される。このため、酸素富化バルブ２４の開閉により吸入空気中の酸素濃度を適切に制御できる。

次に、本発明の第２の実施形態として、ＥＧＲシステムにおける酸素濃度の制御を行う場合について、図１６〜図１８を用いて説明する。
本実施形態では、排気系から排気の一部を吸気系へ還流するため、排気通路２０と吸気通路１９とを接続するＥＧＲ通路５０と、この通路５０を流れる排気の流量を抑制するＥＧＲバルブ５２とからＥＧＲ装置を構成している。

ＥＧＲ通路５０には、ＥＧＲバルブ５２より排気通路２０側にＥＧＲヒーター５１が配置されている。ＥＧＲ通路５０は、吸気通路１９の過給機２２とスロットルバルブ２３との間に配設している。このため、過給機２２の負圧により排気通路２０の排気の一部を吸気通路側に戻すことが可能となる。
ＥＧＲヒーター５１は、図１８に示すように、エンジン回転数Ｎｅに比例してヒーター温度を高くする。なお、ＥＧＲヒーター５１は、自己着火燃焼の場合のみヒーター温度を高くする。これは自己着火燃焼では、自己着火するために十分な筒内温度（ガス温度）が必要となるためである。

ＥＧＲバルブ５２は、ＥＣＵ４０により外部ＥＧＲ量を変化させるための開度制御が行われる。
本実施形態においても制御フローは前述の図３と同様であるが、ステップ２０では、筒内のＥＧＲ量は、バルブオーバーラップ量ΔＯ／Ｌとエンジン回転数Ｎｅとに基づいて推定し、この推定した値を外部ＥＧＲ量（ＥＧＲ装置による排気の還流量）により補正（加算）することで算出する。

この場合においても、ステップ２１では、ステップ２０にて算出したＥＧＲ量に基づいて吸入空気中の目標酸素濃度を決定する。外部ＥＧＲ量が多い場合には、筒内のＥＧＲ量が多くなるため、酸素濃度を高くする。これにより、自己着火燃焼から火花点火燃焼による運転に切り換わった後のトルク段差を抑制する。
ステップ２２およびステップ２３では、ステップ２１にて算出した目標酸素濃度に応じてスロットルバルブ２３および酸素富化バルブ２４の開度を制御する。

なお、前述の図１と同様に、図１６では、酸素富化膜２５を過給機２２の上流側に配置することで負圧により酸素濃度を高くしたが、図１７に示すように、酸素富化膜２５を過給機２２の下流側に配置することで加圧により酸素濃度を高くしてもよい。これは、図１６では過給機２２を酸素富化膜２５より下流側に配設し、酸素富化バルブ２４を閉じることで過給機２２による負圧を利用して酸素濃度を増加させることとしている一方、図１７では過給機２２を酸素富化膜２５より上流側に配設し、酸素富化バルブ２４を開くことで過給機２２による加圧（正圧）を利用して酸素濃度を増加させるためである。

本実施形態によれば、筒内のＥＧＲ量は、排気系（排気通路２０）から排気の一部を吸気系（吸気通路１９）へ還流するＥＧＲ装置（ＥＧＲ通路５０、ＥＧＲバルブ５２）を備える場合に、ＥＧＲ装置によるＥＧＲ量（外部ＥＧＲ量）と、吸気バルブ１１および排気バルブ１２のバルブオーバーラップ量（およびエンジン回転数Ｎｅ）とに基づいて推定する（ステップ２０〜２３）。このため、ＥＧＲ量を、吹き返しによるＥＧＲ量（内部ＥＧＲ量）およびＥＧＲ装置による排気の還流量（外部ＥＧＲ量）から精度良く算出でき、これに応じて吸入空気中の酸素濃度を適切に制御することで自己着火燃焼から火花点火燃焼による運転に切り換えた後のトルク段差を抑制できる。

第１の実施形態に係る内燃機関の制御装置 第１の実施形態に係る内燃機関の制御装置 内燃機関の制御装置の制御についてのフローチャート 運転領域図 自己着火燃焼時の要求トルクと酸素濃度との関係を示す図 自己着火燃焼時の負のオーバーラップ量を示す図 負のオーバーラップ量を実施するための手段を示す図 負のオーバーラップ量を実施するための手段を示す図 燃料噴射量と酸素濃度とを示す図 火花点火切換時のＥＧＲ率推定テーブル 火花点火燃焼時のＥＧＲ量と酸素濃度とを示す図 火花点火燃焼から自己着火燃焼へ切り換えるときにおけるタイミングチャート 火花点火燃焼から自己着火燃焼へ切り換えるときにおけるトルクを示す図 自己着火燃焼から火花点火燃焼へ切り換えるときにおけるタイミングチャート 自己着火燃焼から火花点火燃焼へ切り換えるときにおけるトルクを示す図 内燃機関の制御装置 内燃機関の制御装置 エンジン回転数とヒーター温度とを示す図

符号の説明

１０ エンジン本体
１１ 吸気バルブ
１２ 排気バルブ
１５ 燃料噴射弁
１６ 点火プラグ
１７ 可変バルブ機構
１９ 吸気通路
２２ 過給機
２３ スロットルバルブ
２４ 酸素富化バルブ
２５ 酸素富化膜
２６ 吸気圧センサ
２７ 酸素濃度センサ
２８ 吸気温度センサ
２９ クランク角センサ
３０ 筒内温度センサ
３１ 筒内圧力センサ
４０ ＥＣＵ
５０ ＥＧＲ通路
５１ ＥＧＲヒーター
５２ ＥＧＲバルブ

Claims (5)

1. 運転条件に応じて火花点火燃焼と自己着火燃焼とを切り換える内燃機関の燃焼制御装置において、
   酸素富化膜を有して、機関への吸入空気中の酸素濃度を制御可能な酸素富化装置を設け、
   自己着火燃焼から火花点火燃焼への切り換え時に、筒内のＥＧＲ量に応じて、吸入空気中の酸素濃度を制御することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 自己着火燃焼から火花点火燃焼への切り換え時に、筒内のＥＧＲ量が多いほど、吸入空気中の酸素濃度を高くすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 筒内のＥＧＲ量は、吸気バルブおよび排気バルブのバルブオーバーラップ量に基づいて推定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 筒内のＥＧＲ量は、排気系から排気の一部を吸気系へ還流するＥＧＲ装置を備える場合に、ＥＧＲ装置によるＥＧＲ量と、吸気バルブおよび排気バルブのバルブオーバーラップ量とに基づいて推定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
5. 前記酸素富化装置は、２つに分割された吸気通路のうち一方に介装された酸素富化膜と、この酸素富化膜の前後差圧を制御可能な酸素富化バルブとから構成されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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