JP2009156117A - エンジンの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＣＣＩ燃焼の際に吸排気の負のオーバーラップ（ＮＶＯ）期間を設けるとともに、この期間において気筒２内に燃料を噴射（ＮＶＯ噴射）して予混合気の圧縮自己着火を促進するようにしたエンジン１において、過早な着火を引き起こすことなく適正に自己着火を促進する。
【解決手段】ＨＣＣＩ領域（Ｈ）内の相対的に低負荷側の第１運転領域（h1）において、エンジン負荷の上昇に応じて徐々にＮＶＯ期間を短くするとともに、ＮＶＯ噴射量も徐々に減少させる。負荷の上昇に伴いＮＶＯ噴射の要求量が減少し、インジェクタ１８の最小噴射量未満になれば、その最小噴射量に維持するとともに、さらなるエンジン負荷の上昇に対してはＮＶＯ期間の短縮度合いを大きくして、早めに内部ＥＧＲガス量を減らすことにより対処する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、エンジンの気筒内の予混合気を圧縮して自己着火により燃焼させるための制御技術に関し、特に、自己着火の起き難い相対的に低負荷側の運転領域において、気筒の排気行程ないし吸気行程で吸排気弁の双方を閉じる負のオーバーラップ期間を設けて、気筒内の温度を高めるようにしたものに係る。

近年、エンジンのさらなる燃費改善や排気清浄化を図るために、気筒内の予混合気を圧縮して自己着火により燃焼させるという新しい燃焼形態が提案されており、一般には、予混合圧縮着火燃焼（以下、ＨＣＣＩ燃焼ともいう）という呼称で知られている。この新しい燃焼形態では、従来一般的な火花点火による燃焼（以下、ＳＩ燃焼ともいう）とは異なり、気筒内の多数の箇所で予混合気が一斉に自己着火して燃焼を始めることから、熱効率が極めて高くなる。

また、従来のＳＩ燃焼を実現できない超希薄な予混合気や多量のＥＧＲによって希釈した予混合気であっても、ピストンにより圧縮された気筒内の温度が所定以上に高くなれば自己着火するようになり、燃焼期間そのものは短いものの激しい燃焼にはならないことから、窒素酸化物の生成も格段に少なくなる。

但し、エンジンが相対的に低負荷側の運転領域にあるときには、圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍においても予混合気の温度が自己着火温度に至らない可能性があるので、従来より、気筒の排気行程から吸気行程にかけて吸気弁及び排気弁の双方を閉じる負のオーバーラップ（Negative Valve Ovealap：ＮＶＯ）期間を設けて、高温の既燃ガスを多量に残留させることにより（以下、内部ＥＧＲともいう）気筒内の温度を高めることが行われている。

また、例えば特許文献１に記載のエンジンでは、前記ＮＶＯ期間中に燃料の一部を噴射する（以下、ＮＶＯ噴射ともいう）ことによって、自己着火し易い活性化混合気を形成するようにしている。すなわち、高温の既燃ガス中に噴射された燃料は直ちに気化するとともに、分子の鎖が切れてラジカルを生成したり、アルデヒド程度まで部分酸化反応したりして自己着火し易い混合気となり、これが圧縮行程終盤以降における予混合気全体の自己着火を促進するものと考えられている。

さらに、前記従来例のエンジンでは、ＮＶＯ噴射の量をエンジン負荷の上昇に連れて減少させるようにしている。これは、負荷の上昇に伴い燃料噴射の総量が増大して着火しやすくなるため、ＮＶＯ噴射量は少なくて済むことと、それに拘わらず噴射量を増やすとすれば、その後の吸気行程における新気の充填効率が低下してしまい、出力の確保が難しくなるとともに、予混合気の自己着火のタイミングが早くなりすぎてエンジンの運転効率が低下し、さらにはノッキングを引き起こす虞れもあるからである。
特開２００１−８２２２９号公報

ところで一般にエンジンの燃料噴射弁には芯弁の作動速度等、物理的な限界によって決まる最小噴射量があり、それよりも少ない分量の燃料は安定して噴射することができない。この点、ＮＶＯ噴射は元々の要求量が少ないこともあって、前記従来例のようにエンジン負荷の上昇に連れて噴射量を減らすようにすると、前記燃料噴射弁の最小噴射量に達することがある。

そうなると、それ以上にエンジン負荷が上昇してもＮＶＯ噴射量を減らすことはできないから、負荷に対して相対的にＮＶＯ噴射量の多すぎる状態になってしまい、過早な着火タイミングとなる虞れがある一方で、仮にＮＶＯ噴射を辞めてしまえば、これによる自己着火の促進は図れなくなる。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、所謂負のオーバーラップ（ＮＶＯ）期間を設けるとともに、この期間において既燃ガスの残留する気筒内に燃料を噴射し、これにより予混合気の圧縮による自己着火を促進するようにしたエンジンにおいて、ＮＶＯ期間の長さとＮＶＯ噴射量との関係に着目して、過早な着火を引き起こすことなく適正に自己着火を促進することにある。

前記の目的を達成するために本発明では、例えば従来例のようにエンジン負荷の上昇に応じて要求されるＮＶＯ噴射量が減少し、燃料噴射弁の最小噴射量に至ったとしても、その後はＮＶＯ噴射量を最小噴射量に維持するとともに、さらなるエンジン負荷の上昇に対してはＮＶＯ期間を短縮し、内部ＥＧＲガス量を減らすことによって対処するようにしたものである。

具体的に請求項１の発明は、エンジンが相対的に低負荷側の第１運転領域にあるとき、気筒の排気行程ないし吸気行程において吸気弁及び排気弁の双方を閉じる負のオーバーラップ（ＮＶＯ）期間を設けるとともに、既燃ガスの残留する気筒内に燃料の少なくとも一部を直接、噴射供給することで、圧縮行程の後期以降における予混合気の自己着火を促進するエンジン制御方法であって、エンジン負荷の上昇に応じて排気弁の閉時期を遅角させる排気弁閉時期遅角工程と、前記負のオーバーラップ期間中の燃料噴射量をエンジン負荷の変化によらず所定量に維持する噴射量維持工程と、を有するものである。

前記の方法により、まず、エンジンが第１運転領域にあってＨＣＣＩ燃焼状態とするときには、気筒の排気行程ないし吸気行程において所定期間（ＮＶＯ期間）、吸気弁及び排気弁の双方が閉じられて、気筒内に多量の既燃ガス（内部ＥＧＲガス）が残留するようになる。そうして高温の既燃ガスが残留する気筒内に燃料が直接、噴射（ＮＶＯ噴射）されて自己着火し易い活性化混合気が形成されるとともに、その後の吸気行程等において供給される燃料も吸気や内部ＥＧＲガスと混合されつつ分散して、気筒内には概ね均一な予混合気が形成される。

続いて圧縮行程におけるピストンの上昇に伴い予混合気が圧縮されて、その温度及び圧力が上昇し、ＴＤＣ近傍の所定のタイミングにて自己着火が誘発される。この際、前記のように予混合気中に活性化混合気が含まれていることによって、その圧縮による自己着火が促進されることになり、相対的に低負荷側の第１運転領域においても予混合気を確実に自己着火させることができる。

ここで、予混合気の自己着火のタイミングは種々の要因により変化し、ＮＶＯ噴射の量によっても変化するもので、それを適切なタイミングとするためには、上述した従来例（特許文献１）のようにエンジン負荷の上昇に応じてＮＶＯ噴射量を減少させるのが好ましいが、何らかの理由でエンジン負荷の変化によらずＮＶＯ噴射量を維持する場合には（噴射量維持工程）、エンジン負荷の上昇に対して排気弁の閉時期は遅角させ（排気弁閉時期遅角工程）、ＮＶＯ期間を短くして内部ＥＧＲガス量を減らすことにより、気筒内温度の上昇を抑えるようにすればよい。

すなわち、例えばエンジンが前記第１運転領域にあるときには、基本的にエンジン負荷の上昇に応じてＮＶＯ噴射量を減少させるとともに（噴射量減少工程）、第１運転領域内で相対的に高負荷側の特定領域においては、エンジン負荷の上昇に対応して求められるＮＶＯ噴射量が燃料噴射弁の最小噴射量未満になっても、それは最小噴射量に維持する一方で、さらなるエンジン負荷の上昇に対しては排気弁の閉時期を遅角させることで対処するのである（請求項３）。

好ましいのは、第１運転領域の全般において基本的には、エンジン負荷の上昇に応じて排気弁の閉時記を遅角させて（排気弁閉時期遅角工程）、ＮＶＯ期間を短くするとともに、これにより内部ＥＧＲガス量が減少することに対応してＮＶＯ噴射量も減少させて、両者のバランスを取ることである。こうした場合、前記のように第１運転領域内で相対的に高負荷側の特定領域においてＮＶＯ噴射量を最小噴射量に維持せざるを得なくなれば、さらなるエンジン負荷の上昇に対しては排気弁閉時期の遅角度合いを相対的に大きくすることで、適切に対応できる（請求項２）。

また、前記第１運転領域の高負荷側に隣接する第２運転領域においては、第１運転領域よりも気筒内の温度は高い傾向にあるので、ＮＶＯ噴射は行わないが、こうした場合に、エンジンが負荷の上昇に応じて第１運転領域から第２運転領域へ移行するときには、その第１運転領域内の高負荷側の特定領域において最小噴射量に維持されているＮＶＯ噴射量がステップ状に急減して、零まで変化することになる。

そこで、このときには前記特定領域においてエンジン負荷の上昇に応じて徐々に遅角させてきた排気弁の閉時期をステップ状に変化させて、一気に進角させることが好ましい（排気弁閉時期進角工程）。こうすれば、ＮＶＯ噴射量が急減してもそれに対応するようにＮＶＯ期間が急増するから、予混合気の着火性が低下する虞れはない（請求項４）。

別な観点から本発明は、エンジンが相対的に低負荷側の第１運転領域にあるとき、気筒の排気行程ないし吸気行程において吸気弁及び排気弁の双方を閉じる負のオーバーラップ期間を設けるとともに、既燃ガスの残留する気筒内に燃料の少なくとも一部を直接、噴射供給することで、圧縮行程の後期以降における予混合気の自己着火を促進するようにしたエンジンの制御装置であって、エンジンが所定運転状態にあるときには負荷の上昇に応じて排気弁の閉時期を遅角させる排気弁閉時期制御手段と、前記所定運転状態において負のオーバーラップ期間中の燃料噴射量をエンジン負荷の変化によらず所定量に維持する噴射量制御手段と、を備えるものである（請求項５の発明）。

この構成の制御装置によれば、上述した請求項１の発明に係るエンジン制御方法が容易に実行可能であり、その発明の作用効果が容易且つ確実に得られる。

そして、前記噴射量制御手段を、エンジンが第１運転領域中に予め設定された特定領域にあるときに、エンジン負荷の変化によらず負のオーバーラップ期間中の燃料噴射量を所定量に維持するものとし、また、前記排気弁閉時期制御手段は、前記第１運転領域においてエンジン負荷の上昇に応じて排気弁の閉時期を遅角させるとともに、前記特定領域ではエンジン負荷の上昇に対する排気弁閉時期の遅角度合いを相対的に大きくするものとすれば、上述した請求項２に係る発明の作用が得られる。

その場合に、前記噴射量制御手段を、エンジンが第１運転領域にあるとき、その負荷の上昇に応じて燃料噴射量を減少させてゆき、燃料噴射量の制御目標値が燃料噴射弁の最小噴射量未満になる高負荷側の特定領域では、当該最小噴射量に燃料噴射量を維持するものとすれば、上述した請求項３に係る発明の作用が得られる。

さらに、前記噴射量制御手段を、エンジンが第１運転領域の高負荷側に隣接する第２運転領域にあるときには、負のオーバーラップ期間中における燃料の噴射を行わないものとし、また、前記排気弁閉時期制御手段は、エンジンが負荷の上昇に応じて前記第１運転領域から第２運転領域へ移行するときには排気弁の閉時期を進角させるものとすれば、上述した請求項４に係る発明の作用が得られる。

以上、説明したように本発明に係るエンジンの制御方法等によると、吸排気弁の作動に所謂負のオーバーラップ（ＮＶＯ）期間を設けて、多量の内部ＥＧＲガスにより気筒内の温度を高めるとともに、その気筒内に燃料を噴射（ＮＶＯ噴射）することによって予混合気の圧縮自己着火を促進する場合に、基本的に、エンジン負荷の上昇に応じて排気弁閉時期を遅角させ、ＮＶＯ期間を短くするとともに、これによる内部ＥＧＲガスの減少に対応するようにＮＶＯ噴射量も減少させることで、予混合気の自己着火タイミングを適切に制御することができる。

そうして負荷の上昇に伴い減少されるＮＶＯ噴射量が燃料噴射弁の最小噴射量に達すれば、それ以降は最小噴射量に維持するとともに、排気弁の遅角によるＮＶＯ期間の短縮度合いを大きくすることで、さらなるエンジン負荷の上昇に対して相対的にはＮＶＯ噴射量が多くなりすぎても、これにより着火タイミングが過早なものにならないようにして適正に自己着火を促進することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（全体構成）
図１は本発明に係るエンジン制御装置Ａの全体構成を示し、符号１は、車両に搭載された多気筒ガソリンエンジンである。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。

前記シリンダヘッド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のカム軸（図示せず）によりクランク軸７の回転に同期して駆動されるようになっている。

前記動弁機構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。尚、ＶＶＬ１４については既に種々の構造のものが実用化されているので、詳しい説明は省略するが、一例として特開２００６−３２９０２２号公報、２００６−３２９０２３号公報等に記載されているものを利用することができる。

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１６が配設され、点火回路１７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内に燃料直接、噴射するインジェクタ１８（燃料噴射弁）が配設されている。このインジェクタ１８により気筒２の吸気行程において燃料が噴射されると、その燃料噴霧は吸気と混ざり合いながら、ピストン５の下降に伴い容積の拡大する気筒２内に広く分散して、概ね均一な予混合気を形成する。

尚、図示は省略するがインジェクタ１８には、供給する燃料の圧力状態を変更可能な燃料供給ラインが接続されており、前記のように気筒２の吸気行程で燃料を噴射するときには相対的に低圧の燃料を供給し、後述の如くＮＶＯ期間に高温の内部ＥＧＲガス中に燃料を噴射するときには相対的に高圧の燃料を供給することができる。

図においてエンジン１の右側に位置するシリンダヘッド４の一側には吸気系が配設され、各気筒２の吸気ポート９には吸気通路２０が連通している。この吸気通路２０は、エンジン１の各気筒２の燃焼室６に対して図外のエアクリーナにより濾過した空気を供給するためのものであり、サージタンク２１の上流の共通通路には電気式スロットル弁２２とが配設されている。サージタンク２１の下流で吸気通路２０は各気筒２毎に分岐して、それぞれ吸気ポート９に連通している。

一方、シリンダヘッド４の他側には排気系が配設され、各気筒２の排気ポート１０にはそれぞれ、各気筒２毎に分岐した排気通路２５（排気マニホルド）が接続されている。この排気マニホルドの集合部には排気中の酸素濃度を検出するセンサ２６が配設されている。また、排気マニホルドよりも下流側には、排気中の有害成分を浄化するための触媒２７等が配設されている。

上述の如く構成されたエンジン１の運転制御を行うために、パワートレインコントロールモジュール３０（以下、ＰＣＭという）が設けられている。これは、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、図２にも示すように、クランク角センサ８等からの信号を入力するとともに、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３１からの信号と、図示しない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からの信号と、車両の走行速度を検出する車速センサ３３からの信号と、を少なくとも受け入れる。

そして、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１７、インジェクタ１８等を少なくとも制御する。すなわち、ＰＣＭ３０は、主にＶＶＬ１４の作動によって吸排気弁１１，１２のリフト量を調整し、気筒２への吸気（空気）の充填量を制御するとともに、主にＶＶＴ１５の作動によって吸排気弁１１，１２のオーバーラップ期間を調整し、内部ＥＧＲガス量を制御する。

それらＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の制御によって吸排気弁１１，１２のリフトカーブＬin，Ｌexは、図３に模式的に示すようにそれぞれ最小リフトから最大リフトまでの間で連続的に変化する。吸排気弁１１，１２のリフト量は、エンジン１の負荷（目標トルク）や回転速度が高いほど大きくなり、これに伴いオーバーラップ期間（正のオーバーラップ期間）が生じるようになる。

そうして主にＶＶＬ１４の制御によって気筒２への吸気の充填量を広い範囲で変更することができるので、この実施形態のエンジン１ではスロットル弁２２の制御によらず出力を制御することができる。従って、吸気通路２０に設けられたスロットル弁２２は、主にフェールセーフのためのものであり、通常はエンジン１の部分負荷域においても全開とされて、ポンピングロスの低減が図られる。

また、ＰＣＭ３０は、インジェクタ１８を後述の如き所定のタイミングで作動させることにより、気筒２内の空燃比や混合気の形成状態を切換えるとともに、前記のように主にＶＶＴ１５の作動によって気筒２の内部ＥＧＲガス量を制御し、さらに点火プラグ１６の作動状態を切換えることで、エンジン１の燃焼状態を以下に述べるＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とのいずれかに切換えるようになっている。

（エンジン制御の概要）
具体的には図４に制御マップの一例を示すように、相対的に低負荷且つ低回転側の運転領域（Ｈ）においては、気筒２内に形成した予混合気に点火することなく、これをピストン５の上昇により圧縮して自己着火させるようにする。すなわち、図５に模式的に示すように、気筒２の吸気行程においてインジェクタ１８により燃料を噴射（メイン噴射）させ、吸気や内部ＥＧＲガスと十分に混合させて、概ね均一な予混合気を形成した上で燃焼させるようにする。

その際、図示のように、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、即ち吸排気弁１１，１２の双方が閉じる所謂負のオーバーラップ（Negative Valve Ovealap：ＮＶＯ）期間を設けて、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を促進するようにする。ＮＶＯ期間が長いほど内部ＥＧＲガス量が多くなり、予混合気の自己着火のタイミングは進角する。

そのような予混合気の圧縮による自己着火については従来よりＨＣＣＩ（Homogenious Charge Compression Ignition）と呼ばれており、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いる。このような燃焼によると、従来一般的な火炎伝播による燃焼（Spark Ignition：ＳＩ燃焼）に比べて燃焼期間が短くなり、熱効率が高くなる。

そうして予混合気が自己着火するＨＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼の実現が困難な超希薄な予混合気や多量の内部ＥＧＲガスによって希釈した予混合気であっても実現可能であり、前記のように燃焼期間は短くても燃焼温度は低いことから、窒素酸化物の生成は非常に少ない。言い換えると、あまり希薄でない予混合気や希釈度合いの低い予混合気では自己着火のタイミングが早くなりすぎて、所謂ノッキングを起こしてしまう。

つまり、ＨＣＣＩ燃焼はかなり希薄な予混合気か、或いは多量のＥＧＲによって希釈した予混合気によって実現されるものであり、あまり高い出力は得られないので、前記の制御マップ（図４）に示すように、相対的に高負荷側乃至高回転側の運転領域（Ｓ）においては従来同様、ＳＩ燃焼が行われる（以下、運転領域（Ｈ）をＨＣＣＩ領域と呼び、運転領域（Ｓ）をＳＩ領域と呼ぶ）。

ところで、前記ＨＣＣＩ燃焼による熱効率が最も高くなるのは、予混合気が気筒２のＴＤＣ近傍にて一斉に自己着火して、それによる熱発生のピークがＴＤＣよりも少し遅角側になるときである。このときには、ＨＣＣＩ燃焼による気筒２内の温度上昇とピストン５の下降に伴う気筒２内容積の増大とが相殺し合うことから、比較的燃料噴射量の多いときであっても燃焼が過度に激しくはならない、というメリットもある。

そうした適切なタイミングで予混合気を安定的に自己着火させるために、この実施形態では、エンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｈ）における低負荷ないし中負荷で且つ低回転ないし中回転の第１運転領域（図４に斜めハッチングを入れて示す領域h1）にあるときには、前記図５に模式的に示すように、気筒２の圧縮行程終盤に、即ち吸排気弁１１，１２のＮＶＯ期間中にインジェクタ１８により少量の燃料を噴射（ＮＶＯ噴射）させるようにしている。

こうしてＮＶＯ噴射をすることで、特許文献１に記載されているが、高温の内部ＥＧＲガスに曝された燃料噴霧において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るとともに、その際に発生する熱によって混合気の温度が高められ、相対的に負荷が低くて気筒２の圧縮温度や圧縮圧力があまり高くならない状態でも、混合気の圧縮による自己着火を促進できるものと考えられている。

また、ＮＶＯ噴射の量は、基本的にはそれが多いほど活性化混合気が多くなり、反応熱による温度上昇も大きくなると考えられるが、ＮＶＯ噴射量が内部ＥＧＲガス量に対して多すぎると、気化潜熱による冷却作用が悪い影響を及ぼすこともあり得るので、内部ＥＧＲガス量に対応して適切な範囲があると考えられる。特にエンジン１の高負荷側では元々の気筒内温度が高いので、内部ＥＧＲガスやＮＶＯ噴射によって気筒内温度が高くなり過ぎると、過早な着火タイミングとなる虞れがある。

それらの点を考慮してこの実施形態では、前記したＶＶＴ１５の制御によってＮＶＯ期間の長さをエンジン負荷に対応づけて制御し、負荷の上昇に応じて気筒２の内部ＥＧＲガス量を徐々に減少させるとともに、ＮＶＯ噴射量も徐々に減少させるようにしている（図８のグラフを参照）。つまり、エンジン負荷の変化に対し、ＮＶＯ期間の長さとＮＶＯ噴射量とを互いに対応づけて適切なバランスとなるように変更し、予混合気の自己着火タイミングを適切に制御するものである。

尚、図４の制御マップに示すように、ＨＣＣＩ領域（Ｈ）は、ＮＶＯ噴射を行う相対的に低負荷側の第１運転領域（h1）と、その高負荷側に隣接しＮＶＯ噴射を行わない第２運転領域（h2）とに分かれており、この二つの領域h1、h2は、エンジン１の低回転側ほど高負荷側になるように傾斜する境界線によって区分されている。

ここで、一般に直噴エンジンに用いられるインジェクタには、芯弁の作動速度等、物理的な限界によって決まる最小噴射量があり、それよりも少ない分量の燃料は安定して噴射することができない。すなわち、例えば芯弁をその開作動のストローク途中で閉じようとしても、機械的な摩擦や燃料の圧力等の影響により狙い通りに作動させることができず、開弁期間のバラつきが大きくなるとともに、そのバラつきが個々のインジェクタによってもかなり異なるものとなってしまうからである。

この点につき上述のようなＮＶＯ噴射はその要求量が元々少ないこともあって、前記のように第１運転領域（h1）においてエンジン負荷の上昇に応じて噴射量を減らすようにした場合、第２運転領域（h2）に移行する前に前記の最小噴射量に達してしまう。すなわち、例えば図４のマップ上に示す等回転速度線ａ−ａに沿ってエンジン負荷が上昇したとすると、隣接する第２運転領域（h2）との境界線に沿って第１運転領域（h1）の最高負荷域に区画される特定の領域（図では破線で区画した領域α）において前記最小噴射量に達することになる。

そうしてＮＶＯ噴射の要求量がインジェクタ１８の最小噴射量に達してしまえば、それ以上はエンジン負荷が上昇しても噴射量を減らすことはできないから、負荷に対して相対的には噴射量の多すぎる状態になってしまい、気筒２内温度が高くなりすぎて、予混合気の自己着火のタイミングが過早になる虞れがある。一方で、仮にＮＶＯ噴射を辞めてしまえば、これによる自己着火の促進が図れない。

斯かる点に鑑みてこの実施形態では、一例を前記図４のマップに示すように、第１運転領域（h1）内の最高負荷域である特定領域（α）においては、エンジン負荷が上昇してもＮＶＯ噴射量はインジェクタ１８の最小噴射量に維持するとともに、負荷の上昇に対する排気弁１２閉時期の遅角度合いを大きくし、即ちＮＶＯ期間の短縮度合いを大きくして、その分、早く内部ＥＧＲガス量を減少させることによって、気筒２内温度の上昇を抑えるようにしている。

（具体的な制御手順）
以下にエンジン制御の具体的な手順を、図６及び図７のフローチャートに基づいて説明すると、まず、図６におけるスタート後のステップＳ１では、クランク角センサ８、エアフローセンサ３１、アクセル開度センサ３２、車速センサ３３等からの信号を入力し、続くステップＳ２ではエンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｈ）にあるかどうか判定する。すなわち、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、例えば車速及びアクセル開度に基づいて、或いはエアフローセンサ３１からの信号とエンジン回転速度とに基づき内部ＥＧＲ量を加味して、エンジン１への要求トルク（負荷）を演算する。そうして求めたエンジン回転速度と要求トルクとに基づき、図４の制御マップを参照してＨＣＣＩ領域（Ｈ）にあるかどうか判定する。

その判定がＮＯであればエンジン１はＳＩ領域（Ｓ）にあるので、後述のステップＳ１８〜Ｓ２２（図７参照）に進んでＳＩ燃焼のための制御を実行する一方、ステップＳ２の判定がＹＥＳでＨＣＣＩ領域（Ｈ）にあれば、ステップＳ３に進む。ここではＨＣＣＩ領域において相対的に低負荷側の第１運転領域（h1）にあるかどうか判定し、この判定がＮＯであれば相対的に高負荷側の第２運転領域（h2）にあるので、後述するステップＳ１５（図７参照）に進む一方、ステップＳ３の判定がＹＥＳで第１運転領域（h1）にあればステップＳ４に進んで、今度は、第１運転領域（h1）内の特定領域（α）にあるかどうか判定する。

そして、特定領域（α）にない（ＮＯ）と判定すればステップＳ５に進んで、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の制御によって、エンジン負荷に対応したＮＶＯ期間になるように吸排気弁１１，１２の作動タイミングを制御する。これは、例えば目標トルク及びエンジン回転速度に基づき、予め実験的に設定してあるマップを参照して、所要の内部ＥＧＲ量となるような吸排気弁１１，１２のＮＶＯ期間を決定しておき、そうなるように主にＶＶＴ１５を制御するものである。この実施形態ではＮＶＯ期間を、特定領域（α）を含めた第１運転領域（h1）全体でエンジン負荷の上昇に連れて徐々に短くなるように設定しており、そうなるように排気弁１２の閉時期を徐々に遅角させるようにしている。

尚、ＶＶＬ１４の制御は、前記ＶＶＴ１５の制御と同様に目標トルク及びエンジン回転速度に基づき、予め実験的に設定してあるマップを参照して、所要の吸気充填量となるような吸排気弁１１，１２のリフト量を決定して、そうなるようにＶＶＬ１４を制御すればよい。この吸気充填量は、気筒２への燃料供給量に対応して適切な空燃比となるように予め実験等により求めて、前記マップに設定されている。

続いてステップＳ６では、予めＮＶＯ期間内に含まれるように設定されているＮＶＯ噴射のタイミング（図５を参照）になったかどうか判定する。この判定がＮＯの間は待機し、判定がＹＥＳになればステップＳ７に進んでインジェクタ１８を作動させ、活性化混合気を形成するためのＮＶＯ噴射を実行する。すなわち、例えば目標トルク及びエンジン回転速度に基づき、予め実験的に設定してある噴射量マップを参照してＮＶＯ噴射量の目標値を決定し、それに対応するパルス幅の噴射制御信号をインジェクタ１８に出力する。

前記噴射量マップは、目標トルク及びエンジン回転速度に対応してＮＶＯ噴射及びメイン噴射の各噴射量の最適値を予め実験等により設定したものであり、この実施形態では、上述したようにＮＶＯ噴射量を、特定領域（α）を除いた第１運転領域（h1）においてエンジン負荷の上昇に連れて徐々に減少するように設定し、特定領域（α）ではインジェクタ１８の最小噴射量に維持するようにしている。

例えば図４のマップ上の等回転速度線ａ−ａに沿って、要求トルク（エンジン負荷）の変化に対するＮＶＯ、メインのそれぞれの噴射量の変化を見ると、図８の上側のグラフに示すようになる。すなわち、ＮＶＯ噴射は、ＨＣＣＩ領域（Ｈ）内でも相対的に低負荷側の第１運転領域（h1）でのみ行われ、その量は基本的に負荷の上昇に連れて徐々に減少するが、特定領域（α）に入ればインジェクタ１８の最小噴射量で一定になる。また、メイン噴射はＨＣＣＩ領域（Ｈ）の全域で行われ、その量は要求トルクの増大に応じて増大する。

前記ステップＳ７に続くステップＳ８では、予め吸気弁１１の開期間内に含まれるように設定されているメイン噴射のタイミング（図５を参照）になったかどうか判定し、判定がＮＯの間は待機する一方、判定がＹＥＳになればステップＳ９に進んでインジェクタ１８を作動させて、メイン噴射を実行した後にリターンする。尚、メイン噴射のタイミングは、一例として吸気弁１１の開弁直後に設定されており、吸気弁１１の傘部と吸気ポート９との隙間から気筒２内に流入する高速の吸気流によって、燃料噴霧の吸気との混合が促進されることになる。

つまり、ＨＣＣＩ領域（Ｈ）において相対的に低負荷側の第１運転領域（h1）では、基本的にエンジン負荷やエンジン回転速度の上昇に応じてＮＶＯ期間を短縮するとともに、これに対応するようにＮＶＯ噴射量も減少させるようにしており、これらの組み合わせによって気筒２の温度状態を適切に調整して、予混合気をＴＤＣ近傍で安定的に自己着火させることができる。

そうしてエンジン負荷の上昇に応じてＮＶＯ噴射量を減少させてゆき、エンジン１が第１運転領域（h1）内の特定領域（α）に入ると、ＮＶＯ噴射の要求量はインジェクタ１８の最小噴射量に達する。このとき前記フローのステップＳ４では特定領域（α）にある（ＹＥＳ）と判定してステップＳ１０に進み、前記ステップＳ５と同じマップを参照してＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５を制御することで、所要のＮＶＯ期間となるように吸排気弁１１，１２の作動タイミングを制御する。

前記ＮＶＯ期間のマップに設定されているＶＶＴ１５の制御は、エンジン負荷の上昇に対する排気弁１２閉時期の変化を前記図４の等回転速度線ａ−ａに沿って見ると、図８の下側のグラフに示すように、第１運転領域（h1）においてはエンジン負荷の上昇に連れて排気弁１２の閉時期が徐々に遅角し、特に領域（α）ではエンジン負荷の上昇に対する遅角度合いが大きくなっている。また、第２運転領域（h2）に移行すると一旦、ステップ状に進角した後に、再び負荷の上昇に連れて遅角するようになる。

前記ステップＳ１０に続いてステップＳ１１では、前記ステップＳ６と同様にＮＶＯ噴射タイミングになったかどうか判定し、判定がＮＯの間は待機する一方、判定がＹＥＳになればステップＳ１２に進んで、前記ステップＳ７と同様にインジェクタ１８を作動させる。前記したように特定領域（α）においてＮＶＯ噴射量はインジェクタ１８の最小噴射量に維持される。そして、ステップＳ１３では、前記ステップＳ８と同様にメイン噴射タイミングになったかどうか判定し、判定がＮＯの間は待機する一方、判定がＹＥＳになればステップＳ１４に進んで、前記ステップＳ９と同様にインジェクタ１８を作動させた後にリターンする。

つまり、エンジン１が負荷の上昇によって第１運転領域（h1）内の特定領域（α）に入れば、ＮＶＯ噴射の要求量がインジェクタ１８の最小噴射量に達して、それよりも減らすことができなくなるので、この最小噴射量でＮＶＯ噴射を行うとともに、さらなるエンジン負荷の上昇に対しては排気弁１２の閉時期の遅角度合いを大きくし、相対的に早くＮＶＯ期間を短縮することによって対処するものである。

こうしてエンジン負荷の上昇に対し相対的に早くＮＶＯ期間を短縮し、その分、早く内部ＥＧＲガス量を減らすことで、前記のように最小噴射量に維持されるＮＶＯ噴射量が負荷の上昇に対して相対的には多くなりすぎたとしても、このことによる気筒内温度の上昇を抑えて、予混合気の着火タイミングが過早なものにならないようにすることができる。

一方で、エンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｈ）において相対的に高負荷側の第２運転領域（h2）にあり、前記ステップＳ３でＮＯと判定して進んだ図７のフローのステップＳ１５では、前記ステップＳ５，Ｓ１０と同じくＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５を制御して、所要のＮＶＯ期間となるように吸排気弁１１，１２の作動タイミングを制御する。そして、ステップＳ１６、Ｓ１７で前記ステップＳ８，Ｓ９と同様にメイン噴射を実行して、しかる後にリターンする。

すなわち、ＨＣＣＩ領域（Ｈ）において相対的に高負荷側の第２運転領域（h2）では、予混合気の自己着火を促進するためにＮＶＯ噴射を行う必要はなく、仮にＮＶＯ噴射を行うと過早な着火等の不具合を招く虞れがあるので、ＮＶＯ噴射は行わず、メイン噴射のみを行うようにしている。

そうして第１運転領域（h1）の高負荷側に隣接する第２運転領域（h2）においてはＮＶＯ噴射を行わないようにしており、一方で、上述したように第１運転領域（h1）内の最高負荷域である特定領域（α）ではＮＶＯ噴射量を一定に維持していることから、エンジン１が負荷の上昇に応じて第１運転領域（h1）から第２運転領域（h2）へ移行するときには、特定領域（α）にて維持されているＮＶＯ噴射量がステップ状に零まで急減することになる（図８の上側のグラフを参照）。

これに対し、前記ステップＳ１５において制御される排気弁１２の閉時期は、図８の下側のグラフに示すようにステップ状に急変化して、一気に進角するようになるから、前記のようにＮＶＯ噴射量が急に零になって、それによる着火の促進効果が失われても、内部ＥＧＲガス量の急増によって気筒２内の温度が高まり、予混合気の着火性を確保することができる。

さらに、エンジン１がＳＩ領域（Ｓ）にあり、前記ステップＳ２でＮＯと判定されて進んだ図７のフローのステップＳ１８では、上述の如きＨＣＣＩ燃焼ではなくて、従来一般的なＳＩ燃焼とする。すなわち、ステップＳ１８ではＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５を制御して、エンジン１の負荷及び回転速度に対応した適切なバルブオーバーラップ状態（正のオーバーラップ）になるように吸排気弁１１，１２の作動タイミングを制御し、ステップＳ１９、Ｓ２０では主に吸気行程の所定のタイミングでインジェクタ１８を作動させてメイン噴射を実行する。

それからステップＳ２１，Ｓ２２においてインジェクタ１８によるメイン噴射によって気筒２内に形成される概ね均一な混合気に点火する。すなわち、まずステップＳ２１では一例としてＴＤＣ前の所定の点火タイミングになったかどうか判定し、ＮＯの間は待機する一方、ＹＥＳになればステップＳ２２に進んで点火回路１７を作動させ、しかる後にリターンする。

前記図６のフローのステップＳ５，Ｓ１０は、エンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｈ）の相対的に低負荷側の第１運転領域（h1）にあるとき、負荷の上昇に応じて排気弁１２の閉時期を遅角させる排気弁閉時期遅角工程に対応しており、この実施形態ではエンジン１が特定領域（α）にあるときに、その負荷の上昇に対する排気弁１２の閉時期の遅角度合いを相対的に大きくするようにしている。

また、同ステップＳ７は、前記特定領域（α）を除く第１運転領域（h1）において、エンジン負荷の上昇に応じてＮＶＯ噴射量を減少させる噴射量減少工程に対応し、同ステップＳ１２は、前記特定領域（α）においてＮＶＯ噴射量をエンジン負荷の変化によらずインジェクタ１８の最小噴射量に維持する噴射量維持工程に対応している。

さらに、エンジン１の負荷の上昇に応じて同ステップＳ３の判定がＹＥＳからＮＯに切り替わって図７のフローのステップＳ１５に進んだときに、排気弁１２の閉時期をステップ状に急変させて、一気に進角させるという手順が、第１運転領域（h1）から第２運転領域（h2）への移行に伴い排気弁１２の閉時期を進角させる排気弁閉時期進角工程に対応している。

前記図６、７のフローの制御は、ＰＣＭ３０のメモリに電子的に格納されている制御プログラムがＣＰＵにより実行されることによって実現するものであり、その意味でＰＣＭ３０は、前記のようにＮＶＯ期間の長さを変化させるべく少なくとも排気弁１２の閉時期を制御する排気弁閉時期制御手段３０ａと、前記のようにＮＶＯ噴射量を制御する噴射量制御手段３０ｂとを、それぞれソフトウエア・プログラムの形態で備えている。

したがって、この実施形態に係るエンジン制御装置Ａによると、エンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｈ）にあるとき、吸排気弁１１，１２の作動に所謂負のオーバーラップ（ＮＶＯ）期間を設けて、多量の内部ＥＧＲガスにより気筒２内の温度を高めることによって予混合気の圧縮自己着火を促進するとともに、特に低負荷側の第１運転領域（h1）では、ＮＶＯ期間に気筒２内に存する高温の内部ＥＧＲガス中に燃料を噴射（ＮＶＯ噴射）することで、予混合気の活性を高めて、その圧縮による自己着火を促進することができる。

また、前記第１運転領域（h1）において基本的にはエンジン１の負荷や回転速度の上昇に応じて排気弁１２の閉時期を徐々に遅角させ、ＮＶＯ期間を徐々に短縮するとともに、ＮＶＯ噴射の量も徐々に減らすことによって、予混合気の自己着火のタイミングを狙い通りＴＤＣ近傍の適切な時期に制御することができる。

さらに、そうしてエンジン負荷等の上昇に連れて減少するＮＶＯ噴射量がインジェクタ１８の最小噴射量に達すれば、それ以降は最小噴射量に維持するとともに、排気弁１２の遅角によるＮＶＯ期間の短縮度合いを大きくして、内部ＥＧＲガス量を早めに減少させることで、さらなるエンジン負荷の上昇に対して相対的にはＮＶＯ噴射量が多くなりすぎても、自己着火のタイミングは過早なものにはならず、適正な自己着火の促進が図られる。

こうして、ＨＣＣＩ領域（Ｈ）の内、相対的に低負荷側の第１運転領域（h1）全体で、予混合気の自己着火のタイミングを最適化して、ＨＣＣＩ燃焼による燃費やエミッションの改善効果を十分に得ることができる。

さらにまた、エンジン１が前記第１運転領域（h1）から高負荷側に隣接する第２運転領域（h2）に移行するときには、ＮＶＯ噴射量が一気に零まで変化することになるが、これに対しては排気弁１２の閉時期を一気に進角させて、内部ＥＧＲガス量を急増させることにより、予混合気の着火性を確保することができる。

（他の実施形態）
本発明の構成は、前記した実施形態のものに限定されることなく、それ以外の種々の構成を包含する。すなわち、前記の実施形態では、ＮＶＯ噴射量がインジェクタ１８の最小噴射量によって制限されることに対応して、噴射量を維持するとともに、これに対応してＮＶＯ期間の変化の度合いを大きくするようにしているが、これに限らず、本発明は、何らかの理由によってＮＶＯ噴射量をエンジン負荷の変化によらず維持する場合に適用可能である。

また、前記の実施形態では、ＮＶＯ噴射をＨＣＣＩ領域（Ｈ）の内、相対的に低負荷側の第１運転領域（h1）でのみ行うようにしているが、これはＨＣＣＩ領域（Ｈ）の全域に亘って行うようにしてもよい。

さらに、前記の実施形態では、吸排気弁１１，１２のリフト特性をＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の作動によって連続的に変更するようにしているが、これに限るものではない。例えば、リフト量及び位相角のいずれか一方は段階的に切換わるような構造としてもよいし、吸排気弁１１，１２を個別に電磁アクチュエータによって開閉するような動弁機構を用いてもよい。また、本発明に係るエンジンがガソリンエンジンに限らないことは言うまでもない。

以上、説明したように本発明は、相対的に低負荷側でＨＣＣＩ燃焼を行うようにしたエンジンにおいて、ＮＶＯ噴射により着火の安定性を高め且つそのタイミングを最適化して、ＨＣＣＩ燃焼による燃費やエミッションの改善効果を十分に得ることができるので、極めて有用である。

本発明の実施形態に係るエンジン制御装置の全体構成を示す図である。 制御の概略を示すブロック図である。 吸排気弁のリフト特性の変化を示す説明図である。 燃焼状態を切換える制御マップの一例を示す説明図である。 インジェクタによる燃料噴射の時期を示す模式図である。 エンジン制御の手順の一部を示すフローチャート図である。 エンジン制御の残りの手順を示すフローチャート図である。 エンジン負荷の変化に対するＮＶＯ噴射量、メイン噴射量の変化を等回転速度線に沿って、排気弁の閉時期の変化と対応づけて示す説明図である。

符号の説明

Ａ エンジン制御装置
１ エンジン
２ 気筒
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１８ インジェクタ（燃料噴射弁）
３０ ＰＣＭ
３０ａ 排気弁閉時期制御手段
３０ｂ 噴射量制御手段
Ｈ ＨＣＣＩ領域
h1 第１運転領域
α 特定領域
h2 第２運転領域

Claims (8)

1. エンジンが相対的に低負荷側の第１運転領域にあるとき、気筒の排気行程ないし吸気行程において吸気弁及び排気弁の双方を閉じる負のオーバーラップ期間を設けるとともに、既燃ガスの残留する気筒内に燃料の少なくとも一部を直接、噴射供給することで、圧縮行程の後期以降における予混合気の自己着火を促進する、エンジンの制御方法であって、
   エンジン負荷の上昇に応じて排気弁の閉時期を遅角させる排気弁閉時期遅角工程と、
   前記負のオーバーラップ期間中の燃料噴射量をエンジン負荷の変化によらず所定量に維持する噴射量維持工程と、
   を有することを特徴とするエンジンの制御方法。
2. 噴射量維持工程は、エンジンが第１運転領域中に予め設定された特定領域にあるときに、その負荷の変化によらず負のオーバーラップ期間中の燃料噴射量を所定量に維持するものであり、
   排気弁閉時期遅角工程は、前記第１運転領域においてエンジン負荷の上昇に応じて排気弁の閉時期を遅角させるものであって、前記特定領域ではエンジン負荷の上昇に対する排気弁閉時期の遅角度合いを相対的に大きくする、請求項１に記載のエンジンの制御方法。
3. エンジンが第１運転領域の特定領域以外にあるとき、エンジン負荷の上昇に応じて負のオーバーラップ期間中の燃料噴射量を減少させる噴射量減少工程をさらに有し、
   噴射量維持工程は、燃料噴射量の制御目標値が燃料噴射弁の最小噴射量未満になる特定領域においても当該最小噴射量に燃料噴射量を維持するものである、請求項２に記載のエンジンの制御方法。
4. エンジンが第１運転領域の高負荷側に隣接する第２運転領域にあるときには、負のオーバーラップ期間中における燃料の噴射を行わないようにし、
   エンジンが負荷の上昇に応じて前記第１運転領域から第２運転領域へ移行するときに、排気弁の閉時期を進角させる排気弁閉時期進角工程をさらに有する、
   請求項２又は３のいずれかに記載のエンジンの制御方法。
5. エンジンが相対的に低負荷側の第１運転領域にあるとき、気筒の排気行程ないし吸気行程において吸気弁及び排気弁の双方を閉じる負のオーバーラップ期間を設けるとともに、既燃ガスの残留する気筒内に燃料の少なくとも一部を直接、噴射供給することで、圧縮行程の後期以降における予混合気の自己着火を促進するようにしたエンジンの制御装置であって、
   エンジンが所定運転状態にあるときに負荷の上昇に応じて排気弁の閉時期を遅角させる排気弁閉時期制御手段と、
   前記所定運転状態において負のオーバーラップ期間中の燃料噴射量をエンジン負荷の変化によらず所定量に維持する噴射量制御手段と、
   を備えることを特徴とするエンジンの制御装置。
6. 噴射量制御手段は、エンジンが第１運転領域中に予め設定された特定領域にあるときに、エンジン負荷の変化によらず負のオーバーラップ期間中の燃料噴射量を所定量に維持するものであり、
   排気弁閉時期制御手段は、前記第１運転領域においてエンジン負荷の上昇に応じて排気弁の閉時期を遅角させるとともに、前記特定領域ではエンジン負荷の上昇に対する排気弁閉時期の遅角度合いを相対的に大きくするものである、
   請求項５に記載のエンジンの制御装置。
7. 噴射量制御手段は、エンジンが第１運転領域にあるとき、その負荷の上昇に応じて燃料噴射量を減少させてゆき、燃料噴射量の制御目標値が燃料噴射弁の最小噴射量未満になる特定領域でも当該最小噴射量に燃料噴射量を維持するものである、請求項６に記載のエンジンの制御装置。
8. 噴射量制御手段は、エンジンが第１運転領域の高負荷側に隣接する第２運転領域にあるときには、負のオーバーラップ期間中における燃料の噴射を行わないものであり、
   排気弁閉時期制御手段は、エンジンが負荷の上昇に応じて前記第１運転領域から第２運転領域へ移行するときには、排気弁の閉時期を進角させるものである、
   請求項６又は７のいずれかに記載のエンジンの制御装置。

Images