JP2009085175A

JP2009085175A - ガソリンエンジンの制御装置

Info

Publication number: JP2009085175A
Application number: JP2007258819A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamashita; 洋幸山下; Suketoshi Seto; 祐利瀬戸; Tatsuo Yamauchi; 健生山内; Hidefumi Fujimoto; 英史藤本
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】ＨＣＣＩ燃焼モードとＳＩ燃焼モード間でのモード切換え時に、燃焼安定性を確保すると共に、モード切換えを迅速に行うことができるエンジンを提供する。
【解決手段】低回転低負荷な第１運転領域Ａで、排気工程ないし吸気工程で吸気弁１１及び排気弁１２が共に閉じる負のオーバーラップ期間Ｔ_Nを設けることにより混合気を自己着火により点火させるＨＣＣＩ燃焼モードと、高回転又は高負荷となる第２運転領域Ｂで、点火プラグ１７により混合気を燃焼させるＳＩ燃焼モードと、を切換えて燃焼制御を行う燃焼制御手段を有するガソリンエンジンの制御装置であって、ＰＣＭ３０は、第１運転領域Ａと第２運転領域Ｂの境界領域である第３運転領域Ｃでは、ＨＣＣＩ燃焼モード及びＳＩ燃焼モードへの切換えの実行の有無にかかわらず、負のオーバーラップ期間Ｔ_Nを設けると共に、点火プラグ１７による点火を行う第３燃焼モードを実行する。
【選択図】図８

Description

本発明は、ガソリンエンジンの制御装置に係り、特に火花点火燃焼モード（ＳＩ燃焼モード）と予混合圧縮着火燃焼モード（ＨＣＣＩ燃焼モード）とを切換えて作動可能なガソリンエンジンの制御装置に関する。

従来、低回転・低負荷領域では混合気を自己着火により燃焼させ（ＨＣＣＩ燃焼）、高回転・高負荷領域では混合気を外部点火により燃焼させる（ＳＩ燃焼）エンジンが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のエンジンでは、エンジンの負荷及び回転数によって決定される運転領域に、ＳＩ燃焼モードを行う領域と、ＨＣＣＩ燃焼モードを行う領域とが設定されており、該当する領域に応じて燃焼モードが切換えられるように構成されている。

そして、特許文献１のエンジンでは、要求運転領域に応じて、ＨＣＣＩ燃焼モードとＳＩ燃焼モードとの間で燃焼モードを切換える際に、圧縮工程中に燃料噴射を行う成層状態の火花点火燃焼又は圧縮自己着火燃焼を行ってから、移行後の燃焼モードを行うように構成されている。これにより、特許文献１に記載のエンジンでは、燃焼不安定あるいはノッキングの発生を抑制している。

特開２００１−１５２９１９号公報

燃焼モード切換えには、迅速な燃焼モード移行と燃焼安定性の確保が要求される。すなわち、燃焼モード切換え時には、要求される出力が満足できない期間が生じるので、この期間を短くするため、燃焼モード切換えには迅速さが要求される。また、燃焼モード切換え時には、吸排気弁の開閉タイミング，燃料噴射タイミング，点火の有無等の制御の要因が大きく変更されることに起因して燃焼が不安定になるおそれがある。このため、燃焼モード切換え時には、安定した燃焼を保持することが要求される。

例えば、特許文献１のエンジンのように、時間を掛けて段階的に燃焼モードの移行制御を行えば、燃焼安定性を確保することができるが、燃焼モード切換えの迅速さの要求を達成することができない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ＨＣＣＩ燃焼モードとＳＩ燃焼モード間での燃焼モードの切換え時において、燃焼安定性を確保すると共に、燃焼モードの切換えを迅速に行うことができるエンジンを提供することを課題とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、エンジンが低回転低負荷となる第１運転領域で、排気工程ないし吸気工程において燃焼室に設けられた吸気弁及び排気弁が共に閉じる負のオーバーラップ期間を設けることにより混合気を自己着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼モードと、エンジンが第１運転領域よりも高回転又は高負荷となる第２運転領域で、燃焼室に配置した点火プラグにより混合気を点火させる火花点火燃焼モードと、を切換えて燃焼制御を行う燃焼制御手段を有するガソリンエンジンの制御装置であって、燃焼制御手段は、第１運転領域と第２運転領域の境界領域である第３運転領域では、予混合圧縮着火燃焼モード及び火花点火燃焼モードへの切換えの実行の有無にかかわらず、排気工程ないし吸気工程において負のオーバーラップ期間を設けると共に、点火プラグによる点火を行う第３燃焼モードを実行することを特徴としている。

このように構成された本発明によれば、予混合圧縮着火燃焼を行う第１運転領域（低回転低負荷領域）と火花点火燃焼を行う第２運転領域（高回転高負荷領域）との間に、第３運転領域（中間領域）が設けられる。燃焼制御手段は、この第３運転領域では、負のオーバーラップ期間を設けつつ点火プラグによる点火を行う第３燃焼モードを実行する。
これにより、予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との間での移行の有無にかかわらず、この中間領域での第３燃焼モードを介して、予混合圧縮着火燃焼又は火花点火燃焼に移行が行われる。このため、第３燃焼モード後にどちらの燃焼が行われる場合であっても燃焼モードが段階的に切換えられることになり、燃焼安定性を確保すると共に迅速な移行が可能となる。

また、本発明において好ましくは、燃焼制御手段は、燃焼室内に燃料を直接供給可能な燃料噴射弁により燃料噴射制御を行う燃料噴射制御手段を備え、この燃料噴射制御手段は、予混合圧縮着火燃焼モードにおいて、燃料噴射弁により、負のオーバーラップ期間中に第１燃料噴射を実行し且つ負のオーバーラップ期間に続く吸気工程中に第２燃料噴射を実行し、第３燃焼モードにおいて、燃料噴射弁により、第１燃料噴射を実行せず、第２燃料噴射を実行する。

このように構成された本発明によれば、予混合圧縮着火燃焼モードにおいては、負のオーバーラップ期間に予備的な第１燃料噴射を実行することにより、圧縮自己着火を促進することができる。また、第３燃焼モードにおいては、第１噴射を実行しないことにより、過早着火を防止することができる。

また、本発明において好ましくは、燃焼制御手段は、第３運転領域を設定する運転領域設定手段を備え、この運転領域設定手段は、エンジンの運転領域が第２運転領域にあるときに第３運転領域を設定する。
このように構成された本発明によれば、火花点火燃焼から予混合圧縮着火燃焼に燃焼が切換わるときに第３運転領域が設けられる。これにより、火花点火燃焼から予混合圧縮着火燃焼への移行時には、第３燃焼モードを介して燃焼モードが切換わるので、燃焼安定性を維持した状態でスムーズに移行を行うことができる。

本発明のガソリンエンジンの制御装置によれば、ＨＣＣＩ燃焼モードとＳＩ燃焼モード間での燃焼モードの切換え時において燃焼安定性を確保すると共に、燃焼モードの切換えを迅速に行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図１乃至図８を参照して詳細に説明する。図１はガソリンエンジンの全体構成図、図２は図１のエンジンの電気ブロック図、図３は図１のエンジンにおける吸排気弁のリフト特性を示す説明図、図４は図１のエンジンにおけるＨＣＣＩ燃焼モード時の吸排気弁のリフト特性を示す説明図、図５は運転モード制御マップを示す説明図、図６は燃焼モード別の筒内圧力の変化を示す説明図、図７は燃焼モード別の設定パラメータの説明図、図８は運転モード制御の手順を示すフローチャートである。

図１は本発明に係るガソリンエンジン１を示している。エンジン１は、火花点火燃焼（ＳＩ燃焼）モードと予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）モードとを、運転領域に応じて切換えて作動可能に構成されている。
このエンジン１の本体は、複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）が設けられたシリンダブロック３上にシリンダヘッド４が配置されてなり、各気筒２内にはピストン５が嵌挿されて、その頂面とシリンダヘッド４の底面との間に燃焼室６が形成されている。ピストン５はコネクティングロッドによってクランク軸７に連結されており、クランク軸７の一端側にはその回転角（クランク角）を検出するためのクランク角センサ８が配設されている。

シリンダヘッド４には、各気筒２毎に燃焼室６の天井部に開口するように吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。吸気ポート９は燃焼室６の天井部から斜め上方に向かって延びて、シリンダヘッド４の一側面に開口しており、排気ポート１０は反対側の他側面に開口している。吸気ポート９及び排気ポート１０は、それぞれ吸気弁１１及び排気弁１２によって開閉されるようになっており、これら吸排気弁１１，１２は、シリンダヘッド４に配設された動弁機構１３の吸気カムシャフト１３ａ及び排気カムシャフト１３ｂの回転により駆動されるようになっている。吸気カムシャフト１３ａ及び排気カムシャフト１３ｂは、クランク軸７の回転と同期して駆動される。

動弁機構１３には、吸気側及び排気側にそれぞれ、弁リフト量を連続的に変更可能な公知のリフト可変機構１４（以下、ＶＶＬと略称する）と、弁リフトのクランク回転に対する位相角を連続的に変更可能な公知の位相可変機構１５（以下、ＶＶＴと略称する）と、が組み込まれており、それらの作動によって吸排気弁１１，１２のリフト特性を変更し、気筒２への吸気の充填量や残留既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量を調整することができる。

なお、ＶＶＬ１４については例えば特開２００６−３２９０２２号公報、特開２００６−３２９０２３号公報等に記載されたものを使用すればよい。本実施形態では、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５は、各運転モード（ＳＩ燃焼モード，ＨＣＣＩ燃焼モード）に応じてリフト量及びバルブタイミングを切換え可能となっている。

また、本実施形態では、バルブタイミング及びリフト量が、ＶＶＴ１５及びＶＶＬ１４によって、無段階で連続的に切換え可能に構成されているが、これに限らず、吸排気弁１１，１２を駆動する吸排気カムを切換えることにより、バルブタイミング及びリフト量を段階的に切換え可能に構成してもよい。

また、各気筒２の燃焼室６の天井部に電極を臨ませて点火プラグ１７が配設され、点火回路１８によって所定の点火タイミングにて通電されるようになっている。一方、燃焼室６の吸気側の周縁部に先端を臨ませて気筒２内に燃料を直接噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１９が配設されている。

シリンダヘッド４の吸気側（図１の右側）には吸気通路（吸気マニホールド）２０が配設されている。エンジン１の各気筒２の燃焼室６には、エアクリーナ，スロットル弁，サージタンク等（いずれも図示せず）及び吸気通路２０と吸気ポート９を介して空気が供給される。吸気通路２０は、サージタンクの下流側で各気筒２毎に分岐して、各分岐通路がそれぞれ吸気ポート９に連通されている。

一方、シリンダヘッド４の排気側（図１の左側）には排気通路（排気マニホールド）２５が配設されている。排気通路２５は、集合部よりも上流側で各気筒２毎に分岐して、各分岐通路が各排気ポート１０に連通されている。
図１に示すように、排気通路２５には三元触媒２７が配設されており、この三元触媒２７により、排ガス中の有害成分が浄化される。

図２に、エンジン１の電気ブロック図を示す。エンジン１は、エンジン本体の運転制御を行うパワートレインコントロールモジュール３０（以下、「ＰＣＭ３０」という）を含んで構成されている。
ＰＣＭ３０は、周知の如くＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェース回路等を備えており、クランク角センサ８，車両の走行速度を検出する車速センサ３１，アクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ３２から信号を受取っている。本実施形態では、クランク角センサ８は、エンジン回転数センサを兼用している。また、ＰＣＭ３０は、吸気通路２０における空気の流量を計測するエアフローセンサ，酸素濃度センサ（いずれも図示せず）等からも信号を受取っている。

燃焼制御手段としてのＰＣＭ３０は、前記各種センサからの信号等に基づいて、エンジン１の運転状態（例えば負荷状態及びエンジン回転速度）を判定し、これに応じてＶＶＬ１４，ＶＶＴ１５，点火回路１８，インジェクタ１９，スロットル弁等を制御する。すなわち、ＰＣＭ３０は、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５を独立して作動させることにより、吸排気弁１１，１２のオーバーラップ期間を調整して内部ＥＧＲガス量を制御すると共に、吸排気弁１１，１２のリフト量を調整して気筒２への吸気（空気）の充填量を制御する。また、燃料噴射制御手段としてのＰＣＭ３０は、運転モード及び運転状態に応じて、インジェクタ１９から適宜なタイミングで燃料を燃焼室６に向けて噴射制御する。また、ＰＣＭ３０は、適宜なタイミングで点火回路１８を駆動して点火プラグ１７を点火する。

図３は、本実施形態における吸排気弁１１，１２のリフトカーブＬin，Ｌexを示す。本実施形態では、図３に一例として示すように、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の作動により、リフトカーブＬin，Ｌexが変更可能となっている。
ＳＩ燃焼モードでは、吸排気弁１１，１２のリフト量が大きく、排気工程から吸気工程の切り替り付近のクランク角範囲において、わずかにオーバーラップ期間（正のオーバーラップ期間）が生じる。

一方、図４に示すように、ＨＣＣＩ燃焼モードでは、排気工程から吸気工程に掛けて、吸排気弁１１，１２の双方が閉じる負のオーバーラップ期間Ｔ_Nが生じ、内部ＥＧＲガス量がかなり多くなる。

図５に本実施形態における運転モード制御マップを示す。ＰＣＭ３０は、この運転モード制御マップに基づいて運転モードを選択する。
この運転モード制御マップには、第１運転領域Ａ，第２運転領域Ｂ及び第３運転領域Ｃが設定されている。第１運転領域Ａは低回転且つ低負荷な領域に設定され、第２運転領域Ｂは第１運転領域Ａと比べて相対的に高回転又は高負荷な領域に設定されている。また、第３運転領域Ｃは、第１運転領域Ａと第２運転領域Ｂとの境界領域に設定されている。したがって、本実施形態のエンジン１では、アクセルペダルの操作等により要求される運転領域が変更されると、各運転領域に対応して運転モードがスイッチされる。

第１運転領域ＡではＨＣＣＩ燃焼モードが選択され、気筒２内の予混合気は、点火プラグ１７によって直接は点火されることなく、ピストン５の上昇により圧縮自己着火される。この第１運転領域Ａでは、気筒２の排気行程ないし吸気行程において排気弁１２が閉じてから吸気弁１１が開くまでの期間（吸排気弁１１，１２の双方が閉じる負のオーバーラップ期間Ｔ_N）が設けられ、多量の内部ＥＧＲガスによって気筒２内の温度を高めることにより、予混合気の自己着火が促進される。負のオーバーラップ期間が相対的に長くなれば内部ＥＧＲガス量も増大し、自己着火し易くなる。

このようなＨＣＣＩ燃焼モードでは、気筒２内の燃焼室６における多数の箇所で予混合気が略一斉に自己着火して燃焼を開始するものと考えられており、従来一般的な火炎伝播によるＳＩ燃焼モードに比べて燃焼期間が短くなって、熱効率が高くなる。そして、ＨＣＣＩ燃焼モードでは、燃焼温度が低くなり窒素酸化物の生成を非常に少なくすることができる。さらに、ＨＣＣＩ燃焼モードでは、空燃比を高くしてリーン燃焼させることにより、燃費向上を図ることができる。

一方、ＨＣＣＩ燃焼モードでは、あまり高い出力は得られないので、第１運転領域Ａと比べて相対的に高負荷側ないし高回転側の第２運転領域Ｂでは、ＳＩ燃焼モードが選択される。ＳＩ燃焼モードでは、点火プラグ１７によって、予混合気に点火され燃焼する。

また、第３運転領域Ｃは、第１運転領域Ａと第２運転領域Ｂの中間に位置している。この第３運転領域Ｃは、ＨＣＣＩ燃焼モードとＳＩ燃焼モードの切換えを迅速に行い、且つ、燃焼安定性を確保するために設けられている。
これら運転領域Ａ乃至Ｃは、実験により予め設定されたものであり、この運転モード制御マップは、ＰＣＭ３０の内部メモリに格納されている。

本実施形態では、運転領域設定手段としてのＰＣＭ３０が、所定条件で第２運転領域Ｂのうち第１運転領域Ａと隣接する領域を第３運転領域Ｃに設定する。なお、これに限らず、ＰＣＭ３０が、第１運転領域Ａのうち第２運転領域Ｂと隣接する領域を第３運転領域Ｃに設定するように構成してもよいし、第１運転領域Ａ及び第２運転領域Ｂの両方に跨って第３運転領域を設定するように構成してもよい。さらに、固定的に第３運転領域が設定された構成であってもよい。

この第３運転領域Ｃでは、ＨＣＣＩ燃焼モードとＳＩ燃焼モードのどちらとも異なる第３燃焼モードが実行される。第３燃焼モードでは、ＰＣＭ３０は、排気工程ないし吸気工程において負のオーバーラップ期間Ｔ_Nを設けると共に、点火プラグ１７を作動させる。これにより、燃焼室６内の予混合気を、自己着火又は点火プラグ１７による点火のいずれかにより確実に燃焼させることができると共に、ＨＣＣＩ燃焼モード及びＳＩ燃焼モードのどちらにも迅速に移行可能となっている。

次に、図６及び図７に基づいて、ＨＣＣＩ燃焼モード，ＳＩ燃焼モード及び第３燃焼モードの概略について更に説明する。
図６及び図７は、左からＨＣＣＩ燃焼モード，第３燃焼モード，ＳＩ燃焼モードについての各パラメータの変化を示している。図６は、気筒２内の筒内圧力の時間変化である。また、図７（Ａ）はリフトカーブ（バルブタイミング及びリフト量），同図（Ｂ）は空燃比の設定値，同図（Ｃ）は内部ＥＧＲ率，同図（Ｄ）は燃料噴射量，同図（Ｅ）は第１燃料噴射時期，同図（Ｆ）は第２燃料噴射時期，同図（Ｇ）は点火プラグ１７による点火時期を示している。

図６に示すように、ＨＣＣＩ燃焼モードでは、排気工程終期から吸気工程初期に掛けて吸排気弁１１，１２が共に閉じる負のオーバーラップ期間Ｔ_Nが設けられることにより、筒内圧力が一旦増大しピーク値をとるが、負のオーバーラップ期間Ｔ_N後の吸気工程で吸気弁１１が開くので、筒内圧力は減少する。
この負のオーバーラップ期間Ｔ_N中の時間Ｆ１に、インジェクタ１９から微量の燃料が噴射される（第１燃料噴射）。この第１燃料噴射は、圧縮自己着火を促進するためのものである。すなわち、第１燃料噴射を行うことにより、気筒２内で高温の内部ＥＧＲガスに曝された燃料噴霧でラジカルが生成されたり、部分酸化反応が進んだりして、自己着火し易い活性化混合気が形成され、圧縮自己着火が促進される。

そして、ＨＣＣＩ燃焼モードでは、吸気工程中の時間Ｆ２にインジェクタ１９から燃料が燃焼室６内に噴射される（第２燃料噴射）。その後、圧縮工程で筒内圧力が再び上昇し、混合気は自己着火し膨張工程でさらに筒内圧力が上昇しピーク値をとる。

一方、ＳＩ燃焼モードでは、第１燃料噴射は行わず、吸気工程中の時間Ｆ２にインジェクタ１９から燃料を燃焼室６内に噴射する（第２燃料噴射）。この第２燃料噴射により、混合気が形成される。その後圧縮工程で筒内圧力が上昇し、所定の時間Ｓに点火プラグ１７により混合気に点火される。この点火により混合気が燃焼し、膨張工程でさらに筒内圧力が上昇しピーク値をとる。

また、第３燃焼モードでは、負のオーバーラップ期間Ｔ_Nが設けられることにより、筒内圧力が一旦増大しピーク値をとった後、吸気工程で吸気弁１１が開くので、筒内圧力は減少する。なお、本実施形態の第３燃焼モードでは、過早着火のおそれがあるため、ＨＣＣＩ燃焼モードで行っている負のオーバーラップ期間Ｔ_N中の第１燃料噴射は行わないようになっている。ただし、第３燃焼モードにおいても、過早着火のおそれがない状況では、第１燃料噴射を行ってもよい。

そして、第３燃焼モードにおいても、吸気工程中の時間Ｆ２にインジェクタ１９から燃料が燃焼室６内に噴射される（第２燃料噴射）。その後、圧縮工程で筒内圧力が再び上昇し、所定の時間Ｓに点火プラグ１７により混合気に点火される。この点火により混合気が燃焼し、膨張工程でさらに筒内圧力が上昇しピーク値をとる。

図７（Ａ）に示すように、ＨＣＣＩ燃焼モードでは、図４と同様に、排気工程から吸気工程に掛けて吸排気弁１１，１２が共に閉じる負のオーバーラップ期間Ｔ_Nが設けられる。一方、ＳＩ燃焼モードでは、排気工程から吸気工程に掛けて吸排気弁１１，１２が共に開く正のオーバーラップ期間Ｔ_Pが設けられる。
また、第３燃焼モードでも、ＨＣＣＩ燃焼モードと同様に、負のオーバーラップ期間Ｔ_Nが設けられる。ただし、本実施形態では、ＨＣＣＩ燃焼モードよりも第３燃焼モードの方が、負のオーバーラップ期間Ｔ_Nが短く設定されるようになっている。

第３燃焼モードで負のオーバーラップ期間Ｔ_NをＨＣＣＩ燃焼モードよりも短く設定することは、燃焼モードの移行を迅速にするために有効である。一方、内部ＥＧＲ率（図７（Ｃ）参照）がＨＣＣＩ燃焼モード時よりも低下するので、筒内温度の上昇がＨＣＣＩ燃焼モード時よりも抑制される。これにより、わずかに圧縮自己着火し難い状況が形成される。しかしながら、混合気には点火プラグ１７による点火が行われるため、燃焼室６内での着火を確保することができる。

図７（Ｂ）に示すように、ＳＩ燃焼モード及び第３燃焼モードでは、空燃比が理論空燃比（１４．７）に設定されているが、ＨＣＣＩ燃焼モードでは、空燃比が理論空燃比よりも大きい２０程度に設定されておりリーン燃焼が行われる。
また、図７（Ｃ）に示すように、図７（Ａ）に示すリフトカーブにより、内部ＥＧＲ率は、ＨＣＣＩ燃焼モードで最も高く、第３燃焼モードで中程度、ＳＩ燃焼モードで最も低く設定される。

また、図７（Ｄ）に示すように、図７（Ｂ）に示す空燃比を達成するために、燃料噴射量（主に第２燃焼噴射量）は、ＨＣＣＩ燃焼モードで最も少なく、第３燃焼モードで中程度、ＳＩ燃焼モードで最も多く設定される。第３燃焼モードでは、空燃比はＳＩ燃焼モードと同じ理論空燃比が目標値とされるが、新気が少ない分、燃料噴射量はＳＩ燃焼モードよりも低減される。

図７（Ｅ），図７（Ｆ）は、それぞれ第１燃料噴射時期，第２燃料噴射時期を示しており、上述のように、ＨＣＣＩ燃焼モードでのみ第１燃料噴射が負のオーバーラップ期間Ｔ_Nに行われ、ＳＩ燃焼モード及び第３燃焼モードでは、第１燃料噴射は行われない。また、第２燃料噴射は、すべての燃焼モードにおいて吸気工程で行われる。
図７（Ｇ）に示すように、ＨＣＣＩ燃焼モードは圧縮自己着火により混合気が燃焼するので、点火プラグ１７による点火は行われない。一方、ＳＩ燃焼モード及び第３燃焼モードでは、所定時間Ｓに点火プラグ１７による点火が行われる。

次に、運転モード制御の手順を図８のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ＰＣＭ３０は、クランク角センサ８，車速センサ３１，アクセル開度センサ３２等からの信号を受取り、エンジン１への要求トルク（負荷）とエンジン回転速度を算出する（ステップＳ１）。具体的には、ＰＣＭ３０は、クランク角センサ８からの信号によりエンジン回転速度を演算し、車速及びアクセル開度等に基づいて要求トルク（負荷）を演算する。

そして、ＰＣＭ３０は、ステップＳ１で算出した要求トルクとエンジン回転速度とに基づいて、図５の運転モード制御マップを参照してエンジン１の要求運転状態が第２運転領域Ｂ、すなわちＳＩ領域にあるかどうかを判定する（ステップＳ２）。エンジン１の運転要求状態が第２運転領域Ｂにある場合（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、ステップＳ３に移行する。一方、エンジン１の運転要求状態が第２運転領域Ｂにない場合（ステップＳ２；Ｎｏ）、ステップＳ１０に移行する。

ステップＳ３では、ＰＣＭ３０は、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５に制御信号を出力して、要求運転状態に応じた作動位置に変位させる。このときのバルブタイミング及びリフト量は、ＳＩ燃焼モードに適したものとなる。
次いで、運転領域設定手段としてのＰＣＭ３０は、第３運転領域Ｃを設定しているか否かを判定する（ステップＳ４）。第３運転領域Ｃが設定されている場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、ステップＳ６に移行する。一方、第３運転領域Ｃが設定されていない場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、ＰＣＭ３０は、第３運転領域Ｃを運転領域中に設定する（ステップＳ５）。第３運転領域Ｃが設定されていないと判断されるのは、前回のサイクルでＨＣＣＩ燃焼が行われた場合である。

次いで、ＰＣＭ３０は、要求運転状態に応じて算出した燃料噴射時期Ｆ２となるまで待ち（ステップＳ６）、燃料噴射時期Ｆ２になったときにインジェクタ１９から所定量の燃料を噴射させる（ステップＳ７：第２燃料噴射）。
そして、ＰＣＭ３０は、要求運転状態に応じて算出した点火時期Ｓとなるまで待ち（ステップＳ８）、点火時期Ｓになったときに点火回路１８を介して点火プラグ１７を点火させ（ステップＳ９）、処理を終了する。これにより、筒内で火花点火燃焼が行われる。

一方、ステップＳ１０では、ＰＣＭ３０は、ステップＳ１で算出した要求トルクとエンジン回転速度とに基づいて、運転モード制御マップを参照してエンジン１の要求運転状態が第１運転領域Ａ、すなわちＨＣＣＩ領域にあるかどうかを判定する。エンジン１の運転要求状態が第１運転領域Ａにある場合（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、ステップＳ１１に移行する。一方、エンジン１の運転要求状態が第１運転領域Ａにない場合（ステップＳ１０；Ｎｏ）、ステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１０においてエンジン１の運転要求状態が第１運転領域Ａにない場合というのは、前回以前のサイクルでステップＳ５で第３運転領域Ｃが設定された後、今回のサイクルでこの第３運転領域Ｃに要求運転状態が設定されたときである。なお、後述するように、ＨＣＣＩ燃焼モード（ステップＳ１１−Ｓ１７）が実行されたときには、ステップＳ１３で第３運転領域Ｃが解除されるので、本実施形態では、ＨＣＣＩ燃焼モードからＳＩ燃焼モードに燃焼モードが切換わる場合は、第３燃焼モードを経由せずに切換わるようになっている。

ステップＳ１１では、ＰＣＭ３０は、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５に制御信号を出力して、要求運転状態に応じた作動位置に変位させる。このときのバルブタイミング及びリフト量は、ＨＣＣＩ燃焼モードに適したものとなる。
次いで、運転領域設定手段としてのＰＣＭ３０は、第３運転領域Ｃが設定されているか否かを判定する（ステップＳ１２）。第３運転領域Ｃが設定されている場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、ＰＣＭ３０は、第３運転領域Ｃを解除し運転領域中から取り除く（ステップＳ１３）。一方、第３運転領域Ｃが設定されていない場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）、ステップＳ１４に移行する。

次いで、ＰＣＭ３０は、負のオーバーラップ期間Ｔ_N中の燃料噴射時期Ｆ１となるまで待ち（ステップＳ１４）、燃料噴射時期Ｆ１になったときにインジェクタ１９から所定量の燃料を噴射させる（ステップＳ１５：第１燃料噴射）。この第１燃料噴射により、圧縮自己着火が促進される。

次いで、ＰＣＭ３０は、要求運転状態に応じて算出した燃料噴射時期Ｆ２となるまで待ち（ステップＳ１６）、燃料噴射時期Ｆ２になったときにインジェクタ１９から所定量の燃料を噴射させ（ステップＳ１７：第２燃料噴射）、処理を終了する。その後、圧縮工程における筒内圧力の上昇に起因して、圧縮自己着火燃焼が行われる。

ステップＳ１８では、ＰＣＭ３０は、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５に制御信号を出力して、要求運転状態に応じた作動位置に変位させる。このときのバルブタイミング及びリフト量は、第３燃焼モードに適したものとなる。
次いで、ＰＣＭ３０は、要求運転状態に応じて算出した燃料噴射時期Ｆ２となるまで待ち（ステップＳ１９）、燃料噴射時期Ｆ２になったときにインジェクタ１９から所定量の燃料を噴射させる（ステップＳ２０：第２燃料噴射）。

第２燃料噴射後、圧縮工程における筒内圧力の上昇に起因して、圧縮自己着火燃焼が行われる。
さらに、ＰＣＭ３０は、要求運転状態に応じて算出した点火時期Ｓとなるまで待ち（ステップＳ２１）、点火時期Ｓになったときに点火回路１８を介して点火プラグ１７を点火させ（ステップＳ２２）、処理を終了する。この点火プラグ１７による点火により、圧縮自己着火しなかった場合でも、混合気が点火燃焼を行う（第３燃焼モード）。

以上のように、本実施形態では、ＨＣＣＩ燃焼モードを実行する第１運転領域ＡとＳＩ燃焼モードを実行する第２運転領域Ｂとの間に、第３燃焼モードを実行する第３運転領域Ｃを設けている。これにより、運転状態が第３運転領域Ｃに該当するときには、ＨＣＣＩ燃焼モードとＳＩ燃焼モードとの中間的な燃焼モードである第３燃焼モードが行われる。すなわち、第３燃焼モードでは、負のオーバーラップ期間Ｔ_Nを設けて圧縮自己着火を促進すると共に、点火プラグ１７により点火を行うように制御される。これにより、圧縮自己着火しない場合でも、点火プラグ１７の点火により混合気を確実に燃焼させることができる。

このように、本実施形態では、中間領域である第３運転領域Ｃを設け、ＨＣＣＩ燃焼モードとＳＩ燃焼モードの中間的な燃焼モードを行うことにより、その後にＨＣＣＩ燃焼モード又はＳＩ燃焼モードに、迅速且つ燃焼安定性を確保した状態でスムーズに移行することができる。

また、本実施形態では、圧縮自己着火促進のための補助的な第１燃料噴射をＨＣＣＩ燃焼モードでのみ行い、混合気を形成するための主たる第２燃料噴射をすべての燃焼モードで行うように構成されている。第３燃焼モードでは、運転状態によっては過早自己着火してしまうおそれがあるので、第１燃料噴射が実行されないように構成されている。

また、本実施形態では、ＳＩ燃焼モード中に第３運転領域が設定され、ＨＣＣＩ燃焼モード中に第３運転領域が解除されるようになっている。すなわち、ＨＣＣＩ燃焼モードからＳＩ燃焼モードに燃焼モードが切換わる場合は、第３燃焼モードを経ないで燃焼モードが切換えられる。ＳＩ燃焼モードでは、点火プラグ１７による点火が行われるので、確実に混合気が着火して燃焼するが、ＨＣＣＩ燃焼モードでは、点火プラグ１７による点火が行われないので、燃焼モード移行時に混合気が圧縮自己着火しないおそれがあり燃焼安定性の確保が難しい。このため、本実施形態では、ＨＣＣＩ燃焼モードからＳＩ燃焼モードへの移行時には、その中間段階で第３燃焼モードを行い、これによりスムーズに燃焼モードの移行を行うことができるように構成されている。

なお、本実施形態では、第３運転領域Ｃの設定及び解消を運転状態に応じて行うようになっているが、これに限らず、固定的に第３運転領域Ｃが設定された構成であってもよい。このように、固定的に第３運転領域Ｃを設定することにより、燃焼安定性を確保しつつ処理を簡単化することができる。

本発明の一実施形態によるガソリンエンジンの全体構成図である。図１のエンジンの電気ブロック図である。図１のエンジンにおける吸排気弁のリフト特性を示す説明図である。図１のエンジンにおけるＨＣＣＩ燃焼モード時の吸排気弁のリフト特性を示す説明図である。本発明の一実施形態による運転モード制御マップを示す説明図である。本発明の一実施形態による燃焼モード別の筒内圧力の変化を示す説明図である。本発明の一実施形態による燃焼モード別の設定パラメータの説明図である。本発明の一実施形態による運転モード制御の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ガソリンエンジン
２気筒
３シリンダブロック
４シリンダヘッド
５ピストン
６燃焼室
７クランク軸
８クランク角センサ
９吸気ポート
１０排気ポート
１１吸気弁
１２排気弁
１３動弁機構
１３ａ吸気カムシャフト
１３ｂ排気カムシャフト
１４リフト可変機構（ＶＶＬ）
１５位相可変機構（ＶＶＴ）
１７点火プラグ
１８点火回路
１９インジェクタ
３０パワートレインコントロールモジュール（ＰＣＭ）
３１車速センサ
３２アクセル開度センサ
Ａ第１運転領域（ＨＣＣＩ領域）
Ｂ第２運転領域（ＳＩ領域）
Ｃ第３運転領域

Claims

エンジンが低回転低負荷となる第１運転領域で、排気工程ないし吸気工程において燃焼室に設けられた吸気弁及び排気弁が共に閉じる負のオーバーラップ期間を設けることにより混合気を自己着火により点火させる予混合圧縮着火燃焼モードと、エンジンが前記第１運転領域よりも高回転又は高負荷となる第２運転領域で、前記燃焼室に配置した点火プラグにより混合気を燃焼させる火花点火燃焼モードと、を切換えて燃焼制御を行う燃焼制御手段を有するガソリンエンジンの制御装置であって、
前記燃焼制御手段は、前記第１運転領域と前記第２運転領域の境界領域である第３運転領域では、前記予混合圧縮着火燃焼モード及び前記火花点火燃焼モードへの切換えの実行の有無にかかわらず、排気工程ないし吸気工程において前記負のオーバーラップ期間を設けると共に、前記点火プラグによる点火を行う第３燃焼モードを実行することを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
前記燃焼制御手段は、前記燃焼室内に燃料を直接供給可能な燃料噴射弁により燃料噴射制御を行う燃料噴射制御手段を備え、
この燃料噴射制御手段は、
前記予混合圧縮着火燃焼モードにおいて、前記燃料噴射弁により、前記負のオーバーラップ期間中に第１燃料噴射を実行し且つ前記負のオーバーラップ期間に続く吸気工程中に第２燃料噴射を実行し、
前記第３燃焼モードにおいて、前記燃料噴射弁により、前記第１燃料噴射を実行せず、前記第２燃料噴射を実行する、ことを特徴とする請求項１に記載のガソリンエンジンの制御装置。
前記燃焼制御手段は、前記第３運転領域を設定する運転領域設定手段を備え、
この運転領域設定手段は、エンジンの運転領域が前記第２運転領域にあるときに前記第３運転領域を設定する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のガソリンエンジンの制御装置。