JP2010001833A - 内燃機関用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮自着火燃焼できる運転領域を高負荷側に広げる内燃機関用制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関用制御装置は、検出したアクセル開度およびクランク角に基づいてエンジンの負荷（ＫＬ）および回転数（ＮＥ）を算出し（Ｓ３００、Ｓ３０２）、運転領域マップを参照して予混合圧縮自着火燃焼領域であるかを判定する（Ｓ３０４、Ｓ３０６）。自着火燃焼領域であれば、内燃機関用制御装置は、排気行程後半からの所定期間において吸気弁及び排気弁をともに閉弁して負のオーバラップ期間を形成する（Ｓ３１２）。内燃機関用制御装置は、負のオーバラップ期間において、エンジンの負荷および回転数に基づいて、気筒内に形成するスワールを制御するとともに（Ｓ３１４、Ｓ３１６、Ｓ３１８、Ｓ３２０）、第１燃料噴射弁から気筒内に噴射され改質される燃料の噴射量および噴射回数の少なくともいずれか一方を制御する（Ｓ３２２）。
【選択図】図６

Description

本発明は、予混合圧縮自着火燃焼を実施する内燃機関の燃焼状態を制御する内燃機関用制御装置に関する。

従来、例えばガソリンエンジンにおいて、ディーゼルエンジンと同様に圧縮自着火燃焼を実施する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、排気上死点付近で排気弁および吸気弁がともに閉じた密閉期間中に気筒内に燃料を噴射して燃料と空気とを予混合するともに、密閉期間中の高温高圧状態で予め燃料を着火しやすく改質しておき、圧縮行程において圧縮自着火燃焼させている。

このように、ガソリンエンジンにおいて予混合圧縮自着火燃焼を採用すると、空燃比をリーンにできるので燃費が向上する。しかしながら、圧縮自着火による燃焼では、内燃機関の負荷が高くなると、燃料が急激に燃焼する異常燃焼によりノッキングが発生し易くなるという問題がある。

そこで、特許文献１においては、密閉期間中に気筒内に燃料を噴射する噴射時期を変更して燃料の改質程度を制御するとともに、密閉期間中に加えて吸気弁開弁時期以降に２回目の燃料噴射を実施する場合に密閉期間中に噴射する１回目の噴射量の割合を調整することにより燃料の改質量を制御し、安定した圧縮自着火燃焼を実現しようとしている。
特開２０００−３２０３３３号公報

しかしながら、特許文献１のように燃料の改質程度および改質量を制御するだけでは、圧縮自着火するときの着火分布状態によっては、内燃機関の負荷が高くなるにしたがい急激な燃焼が発生するおそれがある。このように、圧縮自着火燃焼により気筒内で急激な燃焼が生じると、前述したようにノッキングが発生しやすくなる。したがって、特許文献１の燃焼制御では、圧縮自着火燃焼できる運転領域を高負荷側に広げることは困難である。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、予混合圧縮自着火燃焼できる運転領域を高負荷側に広げる内燃機関用制御装置を提供することを目的とする。

請求項１から８に記載の発明によると、予混合圧縮自着火燃焼を実施する内燃機関の運転領域において、吸気弁および排気弁をともに閉弁状態にして気筒を密封し、内燃機関の回転数および負荷に基づいて第１燃料噴射弁の噴射量および噴射回数の少なくともいずれか一方を制御して噴射制御手段が第１燃料噴射弁に燃料噴射を指令し、気筒密封状態において、内燃機関の回転数および負荷に基づいて渦流形成手段による渦流の形成を渦流制御手段が制御する。

このように、吸気弁および排気弁の両方が閉弁している気筒密封状態において、第１燃料噴射弁から気筒内に燃料を噴射すると、気筒内の高温高圧状態によって第１燃料噴射弁から噴射した燃料が着火しやすく改質される。改質された燃料は、圧縮行程時に自着火する。第２燃料噴射弁から噴射され第１燃料噴射弁から噴射される燃料よりも遅れて気筒内に供給される燃料は、自着火した改質燃料を火種として燃焼する。したがって、第１燃料噴射弁から噴射され改質される燃料の気筒内での分布を制御することにより、圧縮行程時に気筒内の燃料が急激に燃焼することを抑制できる。

そして、内燃機関の回転数および負荷に基づいて第１燃料噴射弁の噴射量および噴射回数の少なくともいずれか一方を制御することにより、第１燃料噴射弁から噴射された燃料が自着火する分布状態を制御できる。これにより、高負荷側においても急激な圧縮自着火燃焼を避ける自着火の分布状態にできるので、圧縮自着火燃焼を実施できる運転領域を高負荷側に広げることができる。

さらに、請求項１から８に記載の発明によると、気筒密封状態において、内燃機関の回転数および負荷に基づいて気筒内の渦流の形成を制御することにより、第１燃料噴射弁から噴射された燃料の分布を、渦流の有無、および渦流の強弱によって調整できる。例えば、第１燃料噴射弁から噴射された燃料を気筒内に拡散させたり、１箇所に集めたりすることができる。

これにより、高負荷側においても急激な圧縮自着火燃焼を避ける自着火の分布状態にできるので、圧縮自着火燃焼を実施できる運転領域を高負荷側に広げることができる。
請求項２に記載の発明によると、渦流形成手段は気筒内に横渦を形成する。渦流を横渦にすることにより、気筒内壁面に沿って渦流を容易に形成できる。

ところで、予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の高速高負荷側は、急激な圧縮自着火燃焼が発生しやすい領域である。したがって、第１燃料噴射弁が噴射して改質された燃料が気筒内に拡散すると、気筒内の広範囲で圧縮自着火燃焼が発生し、異常燃焼となりやすい。

そこで、請求項３に記載の発明によると、予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の高速高負荷側において渦流制御手段が渦流形成手段を制御して形成する渦流は、予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の低負荷側において渦流制御手段が渦流形成手段を制御して形成する渦流よりも強くしている。

気筒内の渦流を強くすると、流速の低い渦流の中心で改質燃料の濃度が高く、その外側で改質燃料の濃度の低い成層分布が形成される。これにより、気筒内中心で圧縮自着火燃焼が発生し気筒内中心から外周側に火炎伝播して燃料が燃焼するので、急激な燃焼を抑制できる。その結果、異常燃焼が生じず安定した圧縮自着火燃焼を実施できる運転領域を高負荷側に拡大できる。

これに対し、予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の低負荷側では、渦流を適度に発生させて気筒内に改質燃料を拡散して均質化することにより、圧縮自着火性を向上する必要がある。これに対し、予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の低速高負荷側では、低負荷側よりも燃料の改質が進行する。したがって、渦流により改質燃料が気筒内に均質に拡散すると、気筒内の広範囲で圧縮自着火燃焼が発生し、異常燃焼が発生しやすくなる。

そこで、請求項４に記載の発明によると、予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の低速高負荷側では、渦流制御手段は渦流形成手段に渦流の形成を指令しない。
これにより、予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の低速高負荷側では気筒内に渦流が発生しないので、気筒内に噴射され改質された燃料が気筒内に拡散しない。その結果、第１燃料噴射弁から噴射された燃料の到達範囲内では改質燃料の濃度が高く、到達範囲の外では濃度が低い濃度分布が形成される。したがって、濃度分布の高い範囲で圧縮自着火燃焼が発生し、そこから火炎伝播して燃焼するので、急激な燃焼を抑制できる。その結果、異常燃焼が生じず安定した圧縮自着火燃焼を実施できる運転領域を高負荷側に拡大できる。

請求項５に記載の発明によると、内燃機関の負荷の増加に応じて、噴射制御手段は第１燃料噴射弁に複数回噴射を指令する。
このように、第１燃料噴射弁から同じ噴射量の燃料を１回で噴射するよりも複数回に分けて噴射する方が、１回当たりの噴射量が減少する。これにより、燃料の到達距離が短くなるので、改質燃料の分布範囲がより狭くなる。その結果、急激な燃焼を抑制できるので、異常燃焼が生じず安定した圧縮自着火燃焼を実施できる運転領域を高負荷側に拡大できる。

請求項６に記載の発明によると、内燃機関の負荷の増加に応じて、噴射制御手段は第１燃料噴射弁の噴射量を低減する。
このように、第１燃料噴射弁から噴射する噴射量を低減することにより燃料の到達距離が短くなるので、改質燃料の分布範囲がより狭くなる。その結果、急激な燃焼を抑制できるので、異常燃焼が生じず安定した圧縮自着火燃焼を実施できる運転領域を高負荷側に拡大できる。

ところで、内燃機関の回転数が所定回転数以上または負荷が所定負荷以上の場合、改質燃料を生成する第１燃料噴射弁の噴射量および噴射回数を制御しても、圧縮自着火による異常燃焼を抑制できないことがある。

そこで、請求項７および８に記載の発明によると、内燃機関の回転数が所定回転数以上または負荷が所定負荷以上の場合、圧縮自着火燃焼に代えて火花着火燃焼を燃焼選択手段が選択し、燃焼選択手段が火花着火燃焼を選択すると、噴射制御手段は気筒密封状態における燃料噴射を第１燃料噴射弁に指令しない。

このように、内燃機関の回転数が所定回転数以上または負荷が所定負荷以上の場合、改質燃料を生成する第１燃料噴射弁から燃料を噴射せず火花点火燃焼を選択するので、所定回転数以上または所定負荷以上の場合に異常燃焼が発生することを防止できる。

尚、本発明に備わる複数の手段の各機能は、構成自体で機能が特定されるハードウェア資源、プログラムにより機能が特定されるハードウェア資源、またはそれらの組み合わせにより実現される。また、これら複数の手段の各機能は、各々が物理的に互いに独立したハードウェア資源で実現されるものに限定されない。

以下、本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。
［第１実施形態］
本発明の予混合圧縮自着火（ＨＣＣＩ：Homogeneous Charge Compression Ignition）を実施する内燃機関の制御装置を図１に示す。

（制御装置１０）
第１実施形態の制御装置１０は、吸気、圧縮、膨張、排気の１連の行程を繰り返すガソリンエンジン（以下、単に「エンジン」とも言う。）２の燃焼状態を制御する。吸気弁１２は、吸気管１００からエンジン２に吸気を導入する吸気ポート開閉し、排気弁１４はエンジン２から排気管１１０に排気を排出する排気ポートを開閉する。点火プラグ１６は、火花放電によりエンジン２の気筒４内の燃料を強制的に点火する。

バルブタイミング調整装置２０は、例えば、ハウジング内にベーンロータを収容し、ハウジングに対するベーンロータの位相を油圧制御する公知の装置である。ハウジングはクランクシャフトとともに回転し、ベーンロータは吸気弁１２または排気弁１４の一方を開閉駆動するカムシャフトとともに回転する。したがって、バルブタイミング調整装置２０は、ハウジングに対するベーンロータの位相を制御することにより、吸気弁１２と排気弁１４との相対位相差を調整する。

第１燃料噴射弁３０は、気筒４の上部に設置され、気筒４内に直接燃料を噴射する。第２燃料噴射弁４０は、吸気弁１２の上流の吸気ポートに設置され、吸気ポート内に燃料を噴射する。燃料ポンプ３２は燃料タンク８の燃料を第１燃料噴射弁３０に供給し、燃料ポンプ４２は燃料タンク８の燃料を第２燃料噴射弁４０に供給する。

後述するように、第１燃料噴射弁３０から燃料を噴射する場合、第１燃料噴射弁３０は排気行程後半のＴＤＣ付近で燃料を噴射する。このとき、図２の（Ａ）に示すように、第１燃料噴射弁３０が噴射した噴霧２００がピストン６の上端面に衝突しないように、気筒４の上端面に対して噴霧２００の角度αを、０°≦α≦１０°に設定することが望ましい。

また、第１燃料噴射弁３０の噴孔は、図２の（Ｂ）に示すように扇形の平型噴霧２１０を形成する矩形の単孔でもよいし、図２の（Ｃ）に示すように丸形噴霧２２０を形成する複数の丸孔でもよい。

スロットル弁５０は、アクセル開度に応じて開度を調整されることにより、吸気管１００を流れる吸気量を調整する。
図３に示すように、渦流形成手段としての気流制御弁５２は、吸気管１００から気筒毎に分岐した２個の吸気ポートのうち、一方の吸気ポートに設置されている。気流制御弁５２の開度が調整されることにより、吸気行程において、気流制御弁５２が設置された吸気ポートを流れる吸気量が増減する。

図１に示すＥＣＵ（Electronic Control Unit）８０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書換え可能な不揮発性メモリ、制御回路、入出力インタフェース等から構成される。ＥＣＵ８０は、吸気圧センサ６０、排気温センサ６２、排気圧センサ６４、ノックセンサ６６、回転角センサ６８、アクセル開度センサ７０等の各種センサの出力信号を入力する。ＥＣＵ８０は、これら各種センサの出力信号に基づいて、エンジン２の運転状態を制御する。

（予混合圧縮自着火燃焼）
次に、予混合圧縮自着火燃焼について説明する。ガソリンエンジン２においても、空燃比がリーンな状態で圧縮自着火燃焼することにより燃費を向上できる。そこで、ガソリンエンジンにおいて圧縮行程で自着火するように、自着火する前に燃料を着火しやすく改質しておくことが考えられる。

そこで、本実施形態では、図４に示すように、排気行程後半からの所定期間において、バルブタイミング調整装置２０を制御して、吸気弁１２および排気弁１４の両方を閉弁して閉弁期間をオーバラップさせる負のオーバラップ期間（負のオーバラップ期間を「密封期間」とも言う。）を生成する。負のオーバラップ期間において気筒４は気筒密封状態になるので、気筒４内に残留した高温の燃焼ガスである内部ＥＧＲガスが圧縮される。その結果、気筒４内は高温高圧状態になる。

ＥＣＵ８０は、気筒密封状態において、第１燃料噴射弁３０から例えば３ｍｍ³以下の微少量の燃料を噴射する。気筒密封状態において気筒４内は高温高圧になっているので、第１燃料噴射弁３０から噴射された燃料は改質され着火し易い状態になる。

また、ＥＣＵ８０は、排気行程後半において、エンジン２の主トルクを発生する燃料噴射を第２燃料噴射弁４０に指令する。第２燃料噴射弁４０は吸気ポートに噴射するので、第２燃料噴射弁４０から噴射された燃料が実際に気筒４内に吸入されるのは、図４の点線２３０に示す吸気行程である。つまり、第２燃料噴射弁４０から噴射される燃料は、第１燃料噴射弁３０から噴射される燃料よりも遅れて気筒４内に供給される。

吸気行程から圧縮行程に移行し、気筒４内の圧力および温度が上昇すると、第１燃料噴射弁３０から噴射され改質されている燃料が自着火する。第２燃料噴射弁４０から噴射された燃料は、第１燃料噴射弁３０から噴射され自着火した燃料を火種として燃焼する。これにより、点火プラグ１６による火花点火を使用せず、予混合圧縮自着火燃焼を実施できる。

（渦流形成）
点火プラグ１６による火花着火燃焼時には、ＥＣＵ８０は気流制御弁５２の開度を全開状態にする。この場合、２個の吸気ポートから気筒４内に流入する吸気量はほぼ等しいので、気筒４内に横渦は形成されない。

これに対し、予混合圧縮自着火燃焼を実施する場合、ＥＣＵ８０は、エンジン運転状態に基づいて、気流制御弁５２による横渦の形成を制御する。気流制御弁５２の開度を絞り気流制御弁５２が設置された吸気ポートを流れる吸気量が他方の吸気ポートを流れる吸気量よりも減少すると、図３の矢印９０に示すように気筒４内に横渦（スワール）が形成される。気流制御弁５２の開度が閉弁方向に絞られるにしたがい、気筒４内の横渦は強くなる。

ただし、予混合圧縮自着火燃焼を実施する場合、常に気流制御弁５２の開度を絞って横渦を形成するのではなく、エンジン運転状態によっては、気流制御弁５２を全開にして横渦を形成しない場合もある。

次に、ＥＣＵ８０が備える各手段について説明する。ＥＣＵ８０は、ＲＯＭまたはフラッシュメモリ等の記憶装置に記憶した制御プログラムを実行することにより、以下の各手段として機能する。

（燃焼選択手段）
ＥＣＵ８０は、図５に示すエンジン２の回転数と負荷とのマップに基づいて、点火プラグ１６による火花点火燃焼を実施するか、予混合圧縮自着火燃焼を実施するかを判定する。エンジン２の回転数が所定回転数以上または負荷が所定負荷以上の場合、ＥＣＵ８０は、予混合圧縮自着火燃焼に代えて、点火プラグ１６を使用する火花点火燃焼を実施する。

（密封制御手段）
燃焼選択手段が予混合圧縮自着火燃焼を選択すると、ＥＣＵ８０は、排気行程の後半において、バルブタイミング調整装置２０を制御し、吸気弁１２および排気弁１４の両方を閉弁して閉弁期間をオーバラップさせることにより気筒４を密封状態にする。燃焼選択手段が火花点火燃焼を選択すると、ＥＣＵ８０は、バルブタイミング調整装置２０を制御して気筒４の密封状態を解除し、吸気弁１２または排気弁１４のバルブタイミングを火花点火燃焼に適したバルブタイミングに設定する。

（噴射制御手段）
燃焼選択手段が予混合圧縮自着火燃焼を選択すると、ＥＣＵ８０は、気筒密封状態である排気行程の後半のＴＤＣ付近において第１燃料噴射弁３０に燃料噴射を指令する。この場合、第１燃料噴射弁３０から噴射される燃料は圧縮自着火燃焼の火種になればよいので、１燃焼サイクルにおける第１燃料噴射弁３０の噴射量は微少量である。第１燃料噴射弁３０の噴射量は、前述したように、例えば３ｍｍ³以下に設定される。

また、ＥＣＵ８０は、第１燃料噴射弁３０から燃料を噴射する場合、エンジン２の回転数および負荷に基づいて、噴射量および噴射回数の少なくともいずれか一方を制御する。エンジン２の負荷が増加するにしたがい、予混合圧縮自着火燃焼において急激な燃焼が発生しやすくなる。この場合、ＥＣＵ８０は、１燃焼サイクルにおける第１燃料噴射弁３０の噴射量を低減するか、あるいは１燃焼サイクルにおける第１燃料噴射弁３０の噴射を複数回に分割するか、あるいは噴射量低減および複数回噴射の両方を実施するかを選択する。

１燃焼サイクルにおける第１燃料噴射弁３０の噴射量を低減することにより、改質される燃料量が低減する。これにより、圧縮行程において圧縮自着火の火種が低減するので、異常燃焼を抑制できる。

また、１燃焼サイクルにおける第１燃料噴射弁３０の噴射を複数回に分割することにより１回当たりの噴射量が低減するので、第１燃料噴射弁３０の各噴射が到達する距離が短くなる。これにより、気筒４内の中心部分の改質燃料の濃度が高く、その周囲の濃度が低い成層分布になる。その結果、圧縮行程において、改質燃料の濃度の高い気筒４内の中心部分が自着火し、自着火した気筒４内の中心部分からその周囲に火炎伝播するので、異常燃焼を抑制できる。

予混合圧縮自着火燃焼ではなく火花点火燃焼を燃焼選択手段が選択すると、ＥＣＵ８０は、第１燃料噴射弁３０に燃料噴射を指令しない。
予混合圧縮自着火燃焼または火花点火燃焼のいずれが選択されても、ＥＣＵ８０は、排気行程後半から吸気行程前半において第２燃料噴射弁４０にエンジン２の主トルクとなる燃料噴射を指令する。第２燃料噴射弁４０から噴射された燃料は、図４の点線２３０に示すように、第１燃料噴射弁３０から噴射された燃料よりも遅れて吸気行程において気筒４内に供給される。

予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域において部分負荷領域の高負荷側は、予混合圧縮自着火により急激な燃焼が発生しやすい領域である。そこで、部分負荷領域の高負荷側において第１燃料噴射弁３０の噴射量を低減し、噴射回数を複数回に分割して急激な燃焼を抑制することにより、部分負荷領域のより高負荷側において予混合圧縮自着火燃焼を実施できる。

（渦流制御手段）
ＥＣＵ８０は、エンジン２の回転数および負荷に基づいて、予混合圧縮自着火燃焼を実施するときの気流制御弁５２による横渦の形成を制御する。ＥＣＵ８０は、以下のエンジン運転領域に基づいて気流制御弁５２の開度を制御する。気流制御弁５２の開度は、次回の予混合圧縮自着火燃焼の燃焼サイクルにおいて開度を制御されるまで同じ開度に保持される。ただし、火花点火燃焼が選択されると、気流制御弁５２の開度は全開に設定される。

（１）予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の低負荷側においては、気筒密封状態において筒内温度および筒内圧が十分に上昇しないので、第１燃料噴射弁３０から噴射した燃料が十分に改質せず、圧縮自着火燃焼が不安定になることがある。そこで、低速低負荷運転時には、ＥＣＵ８０は、気筒密封状態において気流制御弁５２の開度を絞り中程度の横渦を気筒４内に形成する。これにより、気筒密封状態において第１燃料噴射弁３０から噴射され改質された燃料は気筒４内に均質に分布する。その結果、低速低負荷運転においても、圧縮行程において、第１燃料噴射弁３０から噴射され気筒４内に均質に分布した改質燃料を火種として、気筒４内で安定した圧縮自着火燃焼を実施できる。

（２）予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の低速高負荷側においては、気筒密封状態における燃料の改質程度が低負荷側よりも進行する。したがって、低負荷側と同じように中程度の横渦を形成し、気筒密封状態において第１燃料噴射弁３０から噴射され改質された燃料が横渦により気筒４内に均質に分布すると、圧縮行程において急激な燃焼が生じ易くなる。

そこで、予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の低速高負荷側において、ＥＣＵ８０は、気筒密封状態において気流制御弁５２を駆動しない。これにより、気筒４内に横渦が殆ど形成されない状態になる。その結果、第１燃料噴射弁３０から噴射され改質された燃料は気筒４内で均質に拡散せず、噴霧の到達範囲内で改質燃料濃度が高く、到達範囲の外で改質燃料濃度が低い濃度分布が形成される。したがって圧縮行程時において、改質燃料濃度が高い箇所から自着火が生じるので、改質燃料が均質に分布する場合に比べ急激な燃焼となることを防止できる。

（３）予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の高速高負荷側においては、ＥＣＵ８０は、気筒密封状態において気流制御弁５２の開度を運転領域の低負荷側よりもさらに絞る。これにより、運転領域の高速高負荷側において気筒４内に形成される横渦の強さは、運転領域の低負荷側で形成される横渦よりも強くなる。その結果、気筒密封状態において第１燃料噴射弁３０から噴射され改質された燃料の濃度は、横渦を形成しない場合よりも、気筒４内の中心部分である横渦の中心部分で高く、横渦の外周部分で低い分布となる。

この改質燃料濃度の成層分布により、圧縮行程において気筒４内の中心部分から自着火が発生し、中心部分からその外側に火炎伝播により燃焼が広がる。これにより、予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域の高速側かつ高負荷側において、急激な燃焼を抑制できる。

予混合圧縮自着火燃焼を実施する運転領域において部分負荷領域の高負荷側は、前述したように予混合圧縮自着火により急激な燃焼が発生しやすい領域である。そこで、部分負荷領域の低速高負荷側では気流制御弁５２による横渦の形成を中止して急激な燃焼を抑制し、部分負荷領域の高速高負荷側では低速低負荷領域よりも横渦を強くして急激な燃焼を抑制することにより、予混合圧縮自着火燃焼を実施できる運転領域をより高負荷側に広げることができる。

（燃焼制御）
次に、ＥＣＵ８０が実行するエンジン２の燃焼制御について、図６の燃焼制御ルーチンに基づいて説明する。図６の燃焼制御ルーチンは１燃焼サイクル毎に実行される。図６において「Ｓ」はステップを表している。

図６のＳ３００においてＥＣＵ８０は、アクセル開度センサ７０の出力信号に基づいてアクセル開度を検出し、回転角センサ６８の出力信号に基づいてクランク角を検出する。そして、Ｓ３０２においてＥＣＵ８０は、アクセル開度に基づいてエンジン２の負荷（ＫＬ）を算出し、単位時間当たりに回転するクランク角に基づいてエンジン回転数（ＮＥ）を算出する。

ＥＣＵ８０は、Ｓ３０４において図５に示す運転状態マップを参照し、Ｓ３０６において、Ｓ３０２で算出したエンジンの負荷と回転数とが図５において予混合圧縮自着火（ＨＣＣＩ）燃焼領域または火花点火燃焼領域のいずれに含まれるかを判定する。例えば、エンジン回転数が所定回転以上またはエンジン負荷が所定負荷以上であれば火花点火燃焼領域であると判定し、エンジン回転数が所定回転より低く、かつエンジン負荷が所定負荷より低い場合は予混合圧縮自着火燃焼領域であると判定する。この場合の所定回転数および所定負荷は、予混合圧縮自着火燃焼領域と火花点火燃焼領域との境界値である。

現在のエンジン２の負荷および回転数が火花点火燃焼領域に含まれる場合（Ｓ３０６：Ｎｏ）、Ｓ３０８においてＥＣＵ８０は、バルブタイミング調整装置２０を制御して気筒４の密封状態を解除し、火花点火燃焼に適した吸気弁１２および排気弁１４のバルブタイミングを設定する。火花点火燃焼の場合、ＥＣＵ８０は第１燃料噴射弁３０に燃料噴射を指令せず、第２燃料噴射弁４０だけに燃料噴射を指令する。そして、Ｓ３１０においてＥＣＵ８０は、点火プラグ１６への通電を制御して火花点火燃焼を実施し本ルーチンを終了する。

現在のエンジン２の負荷および回転数が予混合圧縮自着火燃焼領域に含まれる場合（Ｓ３０６：Ｙｅｓ）、Ｓ３１２においてＥＣＵ８０は、バルブタイミング調整装置２０を制御し、排気行程の後半から所定期間において吸気弁１２および排気弁１４の閉弁期間をオーバラップさせて気筒４を密封状態にする。そして、Ｓ３１４においてＥＣＵ８０は、Ｓ３０２で算出したエンジン２の負荷（ＫＬ）と所定負荷（ＫＬ１、図５参照）とを比較するとともに、Ｓ３０４で算出したエンジン２の回転数（ＮＥ）と所定回転数（ＮＥ１、図５参照）とを比較する。

Ｓ３１４の判定によりＫＬ＜ＫＬ１であれば、ＥＣＵ８０は、エンジン２の運転領域は予混合圧縮自着火燃焼領域の低負荷側であると判断し、Ｓ３１６において気流制御弁５２の開度を絞り中程度の横渦を気筒４内に形成する。これにより、予混合圧縮自着火燃焼領域の低負荷側において、排気行程後半のＴＤＣ付近で第１燃料噴射弁３０から噴射され改質される燃料が、気筒４内に均質に分布する。

その結果、低負荷側の運転領域において、第１燃料噴射弁３０から噴射され気筒４内に均質に分布した改質燃料を火種として、気筒４内で安定した圧縮自着火燃焼を実施できる。

また、Ｓ３１４の判定によりＫＬ≧ＫＬ１であり、かつＮＥ＜ＮＥ１であれば、ＥＣＵ８０は、エンジン２の運転領域は予混合圧縮自着火燃焼領域の低速高負荷側であると判断し、Ｓ３１８において気流制御弁５２を全開にする。これにより、気筒４内に横渦は形成されない。

その結果、第１燃料噴射弁３０から噴射され改質された燃料は気筒４内で拡散せず、噴霧の到達範囲内では改質燃料濃度が高く、到達範囲の外で改質燃料濃度が低い濃度分布が形成される。したがって圧縮行程時において、改質燃料濃度が高い箇所から自着火が生じるので、改質燃料が均質に分布する場合に比べ急激な燃焼となることを防止できる。

また、Ｓ３１４の判定によりＫＬ≧ＫＬ１であり、かつＮＥ≧ＮＥ１であれば、ＥＣＵ８０は、エンジン２の運転領域は予混合圧縮自着火燃焼領域の高速高負荷側であると判断し、Ｓ３２０において気流制御弁５２の開度をＳ３１６よりもさらに絞り、低負荷側よりも強い横渦を気筒４内に形成する。

これにより、気筒密封状態において第１燃料噴射弁３０から噴射され改質された燃料の濃度は、横渦を形成しない場合よりも、気筒４内の中心部分である横渦の中心部分で高く、横渦の外周部分で低い分布となる。この改質燃料濃度の成層分布により、圧縮行程において気筒４内の中心部分から自着火が発生し、中心部分からその外側に火炎伝播により燃焼が広がる。これにより、予混合圧縮自着火燃焼領域の高速高負荷側において急激な燃焼を抑制できる。

Ｓ３１６またはＳ３１８またはＳ３２０で気流制御弁５２を制御すると、Ｓ３２２においてＥＣＵ８０は、Ｓ３０２で算出したエンジン２の負荷（ＫＬ）に基づいて、第１燃料噴射弁３０の噴射量および噴射回数の少なくとも一方を制御する。ＥＣＵ８０は、エンジン負荷の増加に応じて、ＥＣＵ８０は第１燃料噴射弁３０の噴射量を低減する。また、エンジン負荷の増加に応じて、ＥＣＵ８０は第１燃料噴射弁３０の噴射回数を増加する。

以上説明した第１実施形態では、ＥＣＵ８０は、エンジン２の回転数および負荷に基づいて、改質燃料となる燃料噴射を実施する第１燃料噴射弁３０の噴射量および噴射回数の少なくとも一方を制御する。さらにＥＣＵ８０は、エンジン２の回転数および負荷に基づいて気流制御弁５２の開度を制御し、気筒４内に形成される横渦の有無、および強度を制御する。これにより、異常燃焼を抑制し、予混合圧縮自着火燃焼を安定して実施できる運転領域を高負荷側に広げることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態によるエンジン２の燃焼制御について、図７の燃焼制御ルーチンに基づいて説明する。尚、図７のＳ３３０〜Ｓ３５２における処理は図６のＳ３００〜Ｓ３２２と実質的に同一処理であるから、説明を省略する。

ＥＣＵ８０は、Ｓ３３０〜Ｓ３５２（Ｓ３３８、Ｓ３４０を除く）において、気流制御弁５２による横渦の形成を制御し、第１燃料噴射弁３０の噴射量および噴射回数の少なくともいずれか一方を制御して予混合圧縮自着火燃焼を実施した後、Ｓ３５４においてノックセンサ６６（図１参照）の出力信号を検出する。そして、Ｓ３５６においてＥＣＵ８０は、ノックセンサの出力信号に基づいて予混合圧縮自着火燃焼により異常燃焼が発生したかを判定する。異常燃焼が発生していない場合（Ｓ３５６：Ｎｏ）、ＥＣＵ８０は本ルーチンを終了する。

異常燃焼が発生している場合（Ｓ３５６：Ｙｅｓ）、Ｓ３５８においてＥＣＵ８０は、エンジン２の負荷（ＫＬ）および回転数（ＮＥ）に基づいて、第１燃料噴射弁３０の噴射時期、噴射量、噴射回数を制御して予混合圧縮自着火燃焼を実施する。

具体的には、Ｓ３４４の判定結果に基づいてＳ３４８を実施して横渦を形成しない場合、Ｓ３５８においてＥＣＵ８０は、次の燃焼サイクルにおいて第１燃料噴射弁３０の噴射量を低減して予混合圧縮自着火燃焼を実施する。Ｓ３５２において第１燃料噴射弁３０の噴射量を低減している場合は、さらに噴射量を低減する。この場合、ＥＣＵ８０は、Ｓ３４８を実施して横渦を形成せず、Ｓ３５８で第１燃料噴射弁３０の噴射量を低減したことをフラグ等に記憶して本ルーチンを終了する。

そして、次の燃焼サイクルにおいてＳ３３０からの処理を実施してＳ３５８に処理が移行した場合、図７のルーチンを前回実行したときにＳ３４８を実施して横渦を形成せず、Ｓ３５８で第１燃料噴射弁３０の噴射量を低減したことをフラグから知ると、第１燃料噴射弁３０の噴射量を低減するとともに、燃料噴射を複数回に分割して予混合圧縮自着火燃焼を実施し、本ルーチンを終了する。Ｓ３５２において第１燃料噴射弁３０の噴射を複数回に分割している場合は、分割数を増加する。

また、Ｓ３４４の判定結果に基づいてＳ３５０を実施して強い横渦を形成した場合、Ｓ３５８においてＥＣＵ８０は、次の燃焼サイクルにおいて第１燃料噴射弁３０の噴射時期を排気行程後半のＴＤＣ付近の筒内圧がより高い時期に設定する。これにより、第１燃料噴射弁３０から噴射される燃料の到達距離がさらに短くなる。その結果、強い横渦が形成されている状態で、気筒４の中心部分において改質燃料の濃度が高い成層分布を保持しやすくなる。これにより、圧縮行程において急激な燃焼が発生することをより抑制できる。ＥＣＵ８０は、Ｓ３５０を実施して強い横渦を形成し、Ｓ３５８で第１燃料噴射弁３０の噴射時期を排気行程後半のＴＤＣ付近の筒内圧がより高い時期に設定したことをフラグ等に記憶して本ルーチンを終了する。

そして、次の燃焼サイクルにおいてＳ３３０からの処理を実施してＳ３５８に処理が移行した場合、図７のルーチンを前回実行したときにＳ３５０を実施して強い横渦を形成し、Ｓ３５８で第１燃料噴射弁３０の噴射時期を排気行程後半のＴＤＣ付近の筒内圧がより高い時期に設定したことをフラグから知ると、前述したＳ３４８を実施して横渦を形成せずにＳ３５８に処理が移行した場合と同様の噴射量制御および噴射回制御を実施して本ルーチンを終了する。

第２実施形態では、予混合圧縮自着火燃焼を実施したときの燃焼状態をノックセンサの出力信号に基づいて検出することにより、より高精度に第１燃料噴射弁３０からの噴射制御を実施できる。これにより、予混合圧縮自着火燃焼が可能な運転領域をより高負荷側に広げることができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による内燃機関用制御装置を図８に示す。尚、第１実施形態と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。

前述したように、第１、第２実施形態では、排気行程後半から所定期間形成される気筒密封状態において第１燃料噴射弁３０から噴射された燃料が改質され、圧縮行程後半において自着火する改質燃料を火種として予混合圧縮自着火燃焼が実施される。

ここで、気筒密封状態において内部ＥＧＲガス温度、つまり筒内温度が所定温度以上の場合、第１燃料噴射弁３０が噴射した燃料の改質が吸気行程においても継続し、改質が過度に進行するおそれがある。燃料の改質が過度に進行すると、圧縮行程後半の所望のクランク角に到達する前に改質燃料が自着火するという問題が生じる。

そこで、気筒密封状態における筒内温度を推定し、筒内温度が所定温度以上の場合、吸気弁１２が開弁して気筒密封状態が解除されるときの吸気を制御して吸気行程における筒内温度を低下させることにより、燃料の改質の進行を停止することが考えられる。

例えば、気流制御弁５２の開度を全開方向に微調整し、吸気ポートにおける吸気抵抗を低減して吸気量を増加することにより筒内温度を低下させてもよい。また、気筒密封状態を解除する吸気弁１２の開弁時期を進角させ、気筒内に早めに吸気を導入して筒内温度を低下させてもよい。また、吸気量の増加と吸気導入の進角とを組み合わせてもよい。

ＥＣＵ８０は、筒内温度が所定温度以上であれば吸気を制御して筒内温度を低下させるために、ＲＯＭまたはフラッシュメモリ等の記憶装置に記憶した制御プログラムを実行することにより、以下の各手段として機能する。

（筒内温度推定手段）
第３実施形態の内燃機関用制御装置１２０のＥＣＵ８０は、予混合圧縮自着火燃焼を実施する場合、排気ポートに設置した排気温センサ６２およびエンジン２に設置した筒内圧センサ１２２の出力信号に基づいて、第１燃料噴射弁３０から燃料を噴射するときの気筒密封状態における気筒４内の温度を推定する。

具体的には、ＥＣＵ８０は、排気温センサ６２の出力信号に基づいて、排気弁１４が閉弁し気筒密封状態に移行する直前に気筒４から排出される排気温度を、気筒密封状態に移行する初期状態における筒内初期温度（Ｔ１）として検出する。さらに、ＥＣＵ８０は、筒内圧センサ１２２の出力信号に基づいて、気筒密封状態に移行する直前における筒内圧（Ｐ１）を検出する。また、ＥＣＵ８０は、回転角センサ６８の出力信号に基づいて、気筒密封状態に移行する直前のピストン６の往復移動位置を検出する。ＥＣＵ８０は、ピストン６の往復移動位置に基づいて、気筒密封状態に移行する直前の筒内容積（Ｖ１）を算出する。

ＥＣＵ８０は、筒内初期温度（Ｔ１）、そのときの筒内圧（Ｐ１）および筒内容積（Ｖ１）から、次式（１）の気体状態方程式において（ｍ・Ｒ）の値を算出する。
Ｔ＝Ｐ・Ｖ／ｍ・Ｒ ・・・（１）
そして、ＥＣＵ８０は、筒内圧センサ１２２の出力信号から検出する筒内圧（Ｐ）、回転角センサ６８の出力信号に基づいて算出する筒内容積（Ｖ）、ならびに予め算出しておいた（ｍ・Ｒ）の値を式（１）に代入することにより、クランク角毎の筒内温度（Ｔ）を式（１）から算出して推定する。

（吸気制御手段）
ＥＣＵ８０は、筒内温度推定手段が推定した筒内温度が所定温度以上であれば、前述したように、吸気量の増加と吸気導入の進角との少なくとも一方を実施して筒内温度を低下させる。

第３実施形態では、第１燃料噴射弁３０から噴射された燃料が改質される気筒密封状態における筒内温度を推定することにより、燃料の改質が過度に進行することを防止する。これにより、所望のタイミングで予混合圧縮自着火燃焼を実施できる。

［他の実施形態］
上記実施形態では、予混合圧縮自着火燃焼を実施するガソリンエンジン２に本発明を適用した例について説明した。これ以外にも、排気行程後半からの所定期間において形成される気筒密封状態中に第１燃料噴射弁から噴射される燃料を改質し、改質燃料が自着火することにより第２燃料噴射弁から噴射された燃料が着火して燃焼する予混合圧縮自着火燃焼を実施するのであれば、ガソリンエンジンに限らず、どのような内燃機関に本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態では、第２燃料噴射弁として、吸気ポートに燃料を噴射する噴射弁を採用した。これに対し、搭載可能であれば、第１燃料噴射弁と同様に筒内噴射を実施する噴射弁を第２燃料噴射弁として採用してもよい。

また、上記実施形態では、２個の吸気ポートの一方に設置した気流制御弁５２の開度を調整することにより、気筒４内の横渦を制御した。これに対し、例えば２個の吸気弁１２の開閉を電磁駆動等により個別に制御できる構成であれば、気流制御弁５２を使用せず、一方の吸気弁を開弁し、他方の吸気弁を閉弁することにより横渦を形成してもよい。また、吸気ポートが１個の場合には、例えば弁開度を絞るときに吸気流れを気筒内の上方に向ける弁構造の気流制御弁を吸気ポートに設置するか、吸気ポートの通路断面の下側部分だけを開閉する気流制御弁を設置することにより、気筒内に縦渦を形成してもよい。

上記実施形態では、密封制御手段、噴射制御手段、渦流制御手段、燃焼選択手段、筒内温度推定手段、吸気制御手段の機能を、制御プログラムにより機能が特定されるＥＣＵ８０により実現している。これに対し、上記複数の手段の機能の少なくとも一部を、回路構成自体で機能が特定されるハードウェアで実現してもよい。

このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

第１実施形態による制御装置を示すブロック図。 （Ａ）は第２燃料噴射弁の噴霧角度を示す説明図、（Ｂ）、（Ｃ）は噴霧形状を示す説明図。 気流制御弁による横渦の形成を示す説明図。 気筒密封状態、噴射時期を示すタイムチャート。 予混合圧縮自着火領域と火花点火領域を示す説明図。 燃焼制御ルーチンを示すフローチャート。 第２実施形態による燃焼制御ルーチンを示すフローチャート。 第３実施形態による制御装置を示すブロック図。

符号の説明

２：ガソリンエンジン（内燃機関）、１０、１２０：内燃機関用制御装置、１２：吸気弁、１４：排気弁、１６：点火プラグ、２０：バルブタイミング調整装置、３０：第１燃料噴射弁、４０：第２燃料噴射弁、５０：吸気弁、５２：気流制御弁、８０：ＥＣＵ（密封制御手段、噴射制御手段、渦流制御手段、燃焼選択手段、筒内温度推定手段、吸気制御手段）、９０：横渦、１００：吸気管

Claims (8)

1. 予混合圧縮自着火燃焼を実施する内燃機関の燃焼状態を制御する内燃機関用制御装置において、
   前記内燃機関の気筒内に燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、
   前記気筒内または吸気管内の一方に燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、
   前記気筒内に渦流を形成する渦流形成手段と、
   予混合圧縮自着火燃焼を実施する前記内燃機関の運転領域において、吸気弁または排気弁のバルブタイミングを調整するバルブタイミング調整装置を制御することにより、排気行程後半からの所定期間において前記吸気弁および前記排気弁をともに閉弁して前記気筒を密封状態にする密封制御手段と、
   前記密封状態において前記内燃機関の回転数および負荷に基づいて前記第１燃料噴射弁の噴射量および噴射回数の少なくともいずれか一方を制御して前記第１燃料噴射弁に燃料噴射を指令するとともに、前記第１燃料噴射弁から噴射される燃料よりも遅れて前記内燃機関の気筒内に供給されるタイミングで前記第２燃料噴射弁に燃料噴射を指令する噴射制御手段と、
   前記密封状態において、前記内燃機関の回転数および負荷に基づいて前記渦流形成手段による渦流の形成を制御する渦流制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関用制御装置。
2. 前記渦流形成手段は前記気筒内に横渦を形成することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用制御装置。
3. 予混合圧縮自着火燃焼を実施する前記運転領域の高速高負荷側において前記渦流制御手段が前記渦流形成手段を制御して形成する渦流は、前記運転領域の低負荷側において前記渦流制御手段が前記渦流形成手段を制御して形成する渦流よりも強いことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用制御装置。
4. 予混合圧縮自着火燃焼を実施する前記運転領域の低速高負荷側では、前記渦流制御手段は前記渦流形成手段に渦流の形成を指令しない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内燃機関の燃焼制御装置。
5. 前記噴射制御手段は、前記内燃機関の負荷の増加に応じて前記第１燃料噴射弁に複数回噴射を指令することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関用制御装置。
6. 前記噴射制御手段は、前記内燃機関の負荷の増加に応じて前記第１燃料噴射弁の噴射量を低減することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関用制御装置。
7. 前記内燃機関の回転数が所定回転数以上または負荷が所定負荷以上の場合、予混合圧縮自着火燃焼に代えて火花着火燃焼を選択する燃焼選択手段をさらに備え、
   前記燃焼選択手段が火花着火燃焼を選択すると、前記噴射制御手段は前記密封状態における燃料噴射を前記第１燃料噴射弁に指令しないことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関用制御装置。
8. 前記燃焼選択手段が火花着火燃焼を選択すると、前記密封制御手段は前記バルブタイミング調整装置を制御することにより前記密封状態を解除することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関用制御装置。