JP2010209807A - ガソリンエンジンの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＣＣＩ方式のガソリンエンジンにおいて、燃料の安定な自己着火性を確保しつつ、自己着火燃焼時に筒内温度や筒内圧力が短時間内に急激に上昇することを抑制して、ＮＯｘの生成や燃焼ノイズの増大の問題を低減する。
【解決手段】排気上死点近傍において負のオーバーラップを行うと共に、吸気行程では、新気及び燃料でなる通常混合ガスＧ２とは別に、新気、燃料及び外部ＥＧＲガスでなる希釈混合ガスＧ３を気筒１３内に導入し、圧縮上死点近傍において燃料が自己着火する前の気筒１３内に、既燃ガスＧ１の量が他のいずれのガスＧ２，Ｇ３の量よりも多い第１領域Ｒ１と、第１領域Ｒ１と接触し、希釈混合ガスＧ３の量が他のいずれのガスＧ１，Ｇ２の量よりも多い第２領域Ｒ２と、第２領域Ｒ２と接触し、第１領域Ｒ１と接触しない、通常混合ガスＧ２の量が他のいずれのガスＧ１，Ｇ３の量よりも多い第３領域Ｒ３とを生成させる。
【選択図】図８

Description

本発明は、排気上死点近傍において排気弁と吸気弁との双方を閉じた状態とする負のオーバーラップを行うことにより気筒内に高温の既燃ガスを残留させ、これにより気筒内の温度を高めて燃料の自己着火を促進するようにしたガソリンエンジンの制御方法及び制御装置に関する。

近年、ガソリンエンジンのさらなる燃費の改善及び排気の浄化を図るために、気筒内に導入した新気及び燃料でなる混合ガスを圧縮上死点近傍において自己着火させるようにした、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ：Homogeneous Charge Compression Ignition）方式のエンジンの実用化が検討されている。このＨＣＣＩ方式のエンジンは、気筒内の多数の箇所で燃料が一斉に自己着火するので、火炎伝播により燃焼が広がっていく火花点火（ＳＩ：Spark Ignition）方式のエンジンに比べて、燃焼期間が短くなり熱効率が高くなるという利点がある。

また、ＨＣＣＩ方式のエンジンは、ＳＩ方式のエンジンでは燃焼が起らないほどリーンな混合ガスやＥＧＲガスで希釈された混合ガスであっても、気筒内の温度が着火温度以上に高くなれば燃料が自己着火するので、穏やかな燃焼が実現しＮＯｘ（窒素酸化物）の生成が少なくなるという利点もある。

ただし、例えばエンジンが低負荷、低回転の運転領域にあるとき等は、圧縮上死点近傍においても混合ガスの温度が着火温度まで上昇しない可能性があるので、特許文献１に開示されるように、排気上死点近傍において吸気弁を開く前に排気弁を閉じる負のオーバーラップを行い、高温の既燃ガスを気筒内に残留させることにより（内部ＥＧＲ）、圧縮行程で気筒内の温度を着火温度以上に高めて燃料の自己着火を促進することが知られている。つまり、残留既燃ガス（内部ＥＧＲガス）を燃料の自己着火のための熱源として用いるのである。

特開２００２−２４２７２７号公報（段落００３９）

しかし、一方で、例えばエンジンが高負荷の運転領域にあるとき等に負のオーバーラップを行うと、多量の熱が気筒内に蓄積されていく結果、圧縮上死点近傍において気筒内の温度や圧力が過度に高まり、自己着火のタイミングが進角側に振れ過ぎてエンジン出力の低下を招くばかりでなく、燃焼が激しくなって、燃焼時に筒内温度や筒内圧力が短時間内に急激に上昇し、ＮＯｘの生成や燃焼ノイズの増大の問題が起こる。

この問題に対処するために、高負荷領域等では内部ＥＧＲガスに代えて該内部ＥＧＲガスよりも温度の低い外部ＥＧＲガス（排気系から還流された還流排気ガス）を気筒内に熱源として導入することが提案される。しかし、外部ＥＧＲガスは温度のバラツキが大きく、気筒内の温度が下がり過ぎて失火、つまり燃料の自己着火が起こらなくなる可能性がある。

そこで、本発明は、ＨＣＣＩ方式のガソリンエンジンにおいて、燃料の安定な自己着火性を確保しつつ、自己着火燃焼時に筒内温度や筒内圧力が短時間内に急激に上昇することを抑制して、ＮＯｘの生成や燃焼ノイズの増大の問題を低減することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明では次のような手段を用いる。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、排気上死点近傍において吸気弁を開く前に排気弁を閉じて既燃ガスを残留させた気筒内に、吸気行程において新気及び燃料でなる混合ガスを導入し、圧縮上死点近傍において前記燃料を自己着火させるようにしたガソリンエンジンの制御方法であって、前記吸気行程では、前記混合ガスとは別に、新気、燃料及び排気系から還流された還流排気ガスでなる希釈混合ガスを前記気筒内に導入し、前記燃料の自己着火前に、前記気筒内に、前記既燃ガスの量が前記混合ガスの量又は前記希釈混合ガスの量よりも多い第１の領域と、この第１の領域と接触し、前記希釈混合ガスの量が前記既燃ガスの量又は前記混合ガスの量よりも多い第２の領域と、この第２の領域と接触し、前記第１の領域と接触しない、前記混合ガスの量が前記既燃ガスの量又は前記希釈混合ガスの量よりも多い第３の領域とを生成させることを特徴とする。

また、本願の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガソリンエンジンの制御方法において、前記吸気行程では、エンジン負荷が所定値以上のときに、前記希釈混合ガスの導入を行うことを特徴とする。

また、本願の請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のガソリンエンジンの制御方法において、前記吸気行程では、エンジン負荷の増大に応じて、前記希釈混合ガスの導入量を増量することを特徴とする。

一方、本願の請求項４に記載の発明は、排気上死点近傍において吸気弁を開く前に排気弁を閉じて既燃ガスを残留させた気筒内に、吸気行程において新気及び燃料でなる混合ガスを導入し、圧縮上死点近傍において前記燃料を自己着火させるようにしたガソリンエンジンの制御装置であって、ピストンの頂面の中央部に凹陥部が形成され、各気筒毎に前記吸気弁で開閉される吸気ポートが気筒列方向に気筒中心を挟んで２つ設けられ、各吸気ポートは気筒列方向に並ぶ２つの通路に仕切られ、これらの２つの通路のうち気筒列方向において気筒外側の通路に、前記混合ガスが供給され、気筒内側の通路に、新気、燃料及び排気系から還流された還流排気ガスでなる希釈混合ガスが供給されるように構成され、前記気筒外側の通路は、供給された前記混合ガスを気筒列方向において気筒の周縁部に向けて放出し、前記気筒内側の通路は、供給された前記希釈混合ガスを気筒列方向において気筒の中央部に向けて放出するように構成され、前記吸気行程において、前記気筒外側の通路に前記混合ガスが供給され、前記気筒内側の通路に前記希釈混合ガスが供給された状態で、前記吸気弁を開く制御手段が設けられていることを特徴とする。

また、本願の請求項５に記載の発明は、排気上死点近傍において吸気弁を開く前に排気弁を閉じて既燃ガスを残留させた気筒内に、吸気行程において新気及び燃料でなる混合ガスを導入し、圧縮上死点近傍において前記燃料を自己着火させるようにしたガソリンエンジンの制御装置であって、各気筒毎に前記吸気弁で開閉される吸気ポートが気筒列方向に気筒中心を挟んで２つ設けられ、各吸気ポートは気筒列方向に並ぶ２つの通路に仕切られ、これらの２つの通路のうち気筒列方向において気筒外側の通路に、前記混合ガスが供給され、気筒内側の通路に、新気、燃料及び排気系から還流された還流排気ガスでなる希釈混合ガスが供給されるように構成され、前記気筒外側の通路は、供給された前記混合ガスを気筒列方向において気筒の周縁部に向けて放出し、前記気筒内側の通路は、供給された前記希釈混合ガスを気筒列方向において気筒の中央部と気筒の周縁部との間に向けて放出するように構成され、前記吸気行程において、前記気筒外側の通路に前記混合ガスが供給され、前記気筒内側の通路に前記希釈混合ガスが供給された状態で、前記吸気弁を開く制御手段が設けられていることを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明によれば、ＨＣＣＩ方式のガソリンエンジンにおいて、負のオーバーラップを行うことにより内部ＥＧＲガスを気筒内に残留させるので、外部ＥＧＲガスよりも温度の高い熱源が気筒内に残ることとなり、これにより燃料の安定な自己着火性が確保されることとなる。

そのうえで、吸気行程では、新気及び燃料でなる通常の混合ガスとは別に、外部ＥＧＲガスで希釈された希釈混合ガスを気筒内に導入し、燃料が自己着火する前の気筒内に、内部ＥＧＲガスの量が他のいずれのガスの量よりも多い第１の領域と、希釈混合ガスの量が他のいずれのガスの量よりも多い第２の領域と、通常の混合ガスの量が他のいずれのガスの量よりも多い第３の領域とを生成させ、しかも、第１領域と第２領域とを接触させ、第１領域と第３領域とを接触させないようにしたから、先に、熱源（内部ＥＧＲガス）に近い第２領域の希釈混合ガスの燃料が自己着火して燃焼が開始した後、次に、第３領域の通常の混合ガスの燃料が自己着火して燃焼が開始することとなる。

つまり、気筒内で燃料が同じタイミングで一斉に多点着火するのではなく、領域毎にタイミングがずれて自己着火するので、燃焼速度が全体として緩慢になり、燃焼期間が長くなる。したがって、たとえ圧縮上死点近傍において気筒内の温度や圧力が過度に高まった状況下でも、自己着火燃焼時に筒内温度や筒内圧力が短時間内に急激に上昇することが抑制され、ＮＯｘの生成や燃焼ノイズの増大の問題が低減されることとなる。

しかも、先に燃焼が起こるのは、外部ＥＧＲガスで希釈された希釈混合ガスなので、燃焼開始時にはまず穏やかな燃焼が起き、その結果、特に燃焼開始時に筒内温度や筒内圧力が急激に上昇することが防がれる。

そして、その後、ＥＧＲガスで希釈されておらず、燃焼速度が希釈混合ガスよりも大きい、通常の混合ガスでも燃焼が起こるので、燃焼全体が緩慢になり過ぎて熱効率が過度に低下するという不具合も免れる。

次に、本願の請求項２に記載の発明によれば、エンジン負荷が所定値以上のときに前記請求項１に記載の態様でエンジンを運転するから、エンジンが高負荷の運転領域にあり、圧縮上死点近傍において気筒内の温度や圧力が過度に高まる傾向が大きいときに、結果として、ＮＯｘの生成や燃焼ノイズの増大の問題が低減されることとなる。

その場合に、本願の請求項３に記載の発明によれば、エンジン負荷の増大に応じて前記希釈混合ガスの導入量を増量するから、圧縮上死点近傍において気筒内の温度や圧力が過度に高まる傾向がさらに大きくなるほど、燃焼速度が全体としてより一層緩慢になり、燃焼期間がより一層長くなって、ＮＯｘの生成や燃焼ノイズの増大の問題が確実に低減されることとなる。

一方、本願の請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様、ＨＣＣＩ方式のガソリンエンジンにおいて、負のオーバーラップを行うことにより内部ＥＧＲガスを気筒内に残留させるので、外部ＥＧＲガスよりも温度の高い熱源が気筒内に残ることとなり、これにより燃料の安定な自己着火性が確保されることとなる。

そのうえで、ピストンの頂面の中央部に凹陥部が形成されていると共に、吸気行程では、各気筒毎に、新気及び燃料でなる通常の混合ガスが気筒列方向の左右の周縁部に向けて導入され、外部ＥＧＲガスで希釈された希釈混合ガスが気筒列方向の中央部に向けて導入されるから、燃料の自己着火前には、気筒内に、前記凹陥部内の第１領域（内部ＥＧＲガスの量が他のいずれのガスの量よりも多い領域）と、この第１領域の上方に隣接して第１領域と接触する気筒中央部の第２領域（希釈混合ガスの量が他のいずれのガスの量よりも多い領域）と、前記第１領域とは接触しないがこの第２領域の側方に隣接して第２領域とは接触する気筒周縁部の第３領域（通常の混合ガスの量が他のいずれのガスの量よりも多い領域）とが生成することとなり、結果的に、前記請求項１と同様の効果が得られることとなる。

また、本願の請求項５に記載の発明によっても、請求項１に記載の発明と同様、ＨＣＣＩ方式のガソリンエンジンにおいて、負のオーバーラップを行うことにより内部ＥＧＲガスを気筒内に残留させるので、外部ＥＧＲガスよりも温度の高い熱源が気筒内に残ることとなり、これにより燃料の安定な自己着火性が確保されることとなる。

そのうえで、吸気行程では、各気筒毎に、新気及び燃料でなる通常の混合ガスが気筒列方向の左右の周縁部に向けて導入され、外部ＥＧＲガスで希釈された希釈混合ガスが気筒列方向の中央部と周縁部との間に向けて導入されるから、燃料の自己着火前には、気筒内に、気筒中央部の第１領域（内部ＥＧＲガスの量が他のいずれのガスの量よりも多い領域）と、この第１領域の側方に隣接して第１領域と接触する気筒中央部と気筒周縁部との間の第２領域（希釈混合ガスの量が他のいずれのガスの量よりも多い領域）と、前記第１領域とは接触しないがこの第２領域のさらに側方に隣接して第２領域とは接触する気筒周縁部の第３領域（通常の混合ガスの量が他のいずれのガスの量よりも多い領域）とが生成することとなり、結果的に、前記請求項１と同様の効果が得られることとなる。

本発明の実施形態に係るガソリンエンジンの全体構成を示す概略平面図である。 前記エンジンの１つの気筒に対する吸気系、排気系及びＥＧＲシステムの構成を示す、図１の矢印アによる縦断面図である。 前記エンジンの制御システム図である。 前記エンジンの燃焼状態を切り替える制御マップの１例を示す説明図である。 前記エンジンの燃焼状態を切り替える制御動作の１例を示すフローチャートである。 前記エンジンの排気上死点近傍における吸気弁及び排気弁の開閉タイミング及びリフト量の変化の説明図である。 高負荷領域のＨＣＣＩ燃焼を実行するときに、燃料が自己着火する前の前記エンジンの気筒内に、第１領域、第２領域及び第３領域が生成することを説明するための気筒の平面図である（第１の実施形態）。 図７の矢印イによる縦断面図である。 燃料が自己着火する前の気筒内に３領域を生成させたことによる作用の説明図である。 高負荷領域のＨＣＣＩ燃焼を実行するときに、燃料が自己着火する前の前記エンジンの気筒内に、第１領域、第２領域及び第３領域が生成することを説明するための気筒の平面図である（第２の実施形態）。 図１０の矢印イによる縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係るエンジン１は、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とでなるエンジン本体１０に第１〜第４の４つの気筒１３…１３が直列に並んで設けられた直列４気筒のガソリンエンジンである。

各気筒１３には図外のクランクシャフトに連結されたピストン１４が摺動自在に内装され、このピストン１４の頂面とシリンダヘッド１２の内面とで屋根型の燃焼室１５が形成され、この燃焼室１５の頂部に点火プラグ１６が配設されている。各気筒１３には２つの吸気ポート２４，２４及び２つの排気ポート３４，３４が気筒列方向（図１の上下方向）に気筒中心を挟んで並設されている。

なお、図１において、符号Ａは、吸気弁１７で開閉される吸気ポート２４の燃焼室１５側の開口を示し、符号Ｂは、排気弁１８で開閉される排気ポート３４の燃焼室１５側の開口を示している。

このエンジン１の吸気系は、上流側から、エアフローセンサ７１が配設された吸気管２０と、この吸気管２０の下流端に接続された吸気マニホルド２１と、この吸気マニホルド２１から各気筒１３に対応して分岐された４つの分岐吸気管２２…２２と、各分岐吸気管２２からそれぞれ各吸気ポート２４に対応して分岐された計８つのポート吸気管２３…２３とを含み、各ポート吸気管２３がそれぞれ対応する吸気ポート２４に接続されている。

各吸気ポート２４及び各ポート吸気管２３は、上下方向に立設された仕切り壁２５により気筒列方向に並ぶ２つの通路２６，２７に仕切られている。気筒列方向において気筒外側の通路（外側通路）２６に該外側通路２６の開度を調整する第１ポート開閉弁２８が設けられ、気筒内側の通路（内側通路）２７に該内側通路２７の開度を調整する第２ポート開閉弁２９が設けられている。

各分岐吸気管２２には、スロットルアクチュエータ５２により開閉駆動されるスロットル弁５１が設けられている。また、各分岐吸気管２２には、仕切り壁２５の上流で燃料を噴射するポートインジェクタ１９が配設されている。したがって、ポートインジェクタ１９から噴射された燃料は外側通路２６にも内側通路２７にも供給されることとなる。

一方、このエンジン１の排気系は、下流側から、酸素濃度センサ７５が配設された排気管３０と、この排気管３０の上流端に接続された排気マニホルド３１と、この排気マニホルド３１から各気筒１３に対応して分岐された４つの分岐排気管３２…３２と、各分岐排気管３２からそれぞれ各排気ポート３４に対応して分岐された計８つのポート排気管３３…３３とを含み、各ポート排気管３３がそれぞれ対応する排気ポート３４に接続されている。

そして、このエンジン１には、気筒１３から排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとして排気系から吸気系に還流させる外部ＥＧＲシステムが備えられている。この外部ＥＧＲシステムは、排気マニホルド３１から吸気マニホルド２１に至るＥＧＲ管４０と、このＥＧＲ管４０に設けられたＥＧＲクーラー４１及びＥＧＲ制御弁４２とを含んでいる。

ＥＧＲ管４０は、ＥＧＲ制御弁４２と吸気マニホルド２１との間の部位から分岐するＥＧＲ分岐管４３を有し、このＥＧＲ分岐管４３は吸気系のポート吸気管２３…２３の近傍まで延設され、仕切り壁２５により仕切られた２つの通路２６，２７のうちの内側通路２７に連結管４４を介して接続されている。

ここで、ＥＧＲ分岐管４３の内側通路２７への接続点は、第２ポート開閉弁２９よりも上流側とされている。また、ＥＧＲ分岐管４３のＥＧＲ管４０からの分岐点上には、ＥＧＲ制御弁４２から流れてきた外部ＥＧＲガスを吸気マニホルド２１に供給するか又はＥＧＲ分岐管４３に供給するかを切り替えるＥＧＲ切替弁４５が配設されている。

したがって、外部ＥＧＲガスが吸気マニホルド２１に供給されたときは、該ＥＧＲガスは外側通路２６にも内側通路２７にも供給されることとなる。その結果、外側通路２６と内側通路２７との双方に、新気、燃料及び排気系から還流された外部ＥＧＲガスでなる希釈混合ガスが供給される。なお、ＥＧＲ制御弁４２が閉じているときは、外側通路２６と内側通路２７との双方に、新気及び燃料でなる通常の混合ガスが供給されることとなる。

一方、外部ＥＧＲガスがＥＧＲ分岐管４３に供給されたときは、該ＥＧＲガスは内側通路２７にのみ供給され、外側通路２６には供給されないこととなる。その結果、外側通路２６には通常混合ガス（Ｇ２：図７等参照）が供給されつつ、これとは別に、内側通路２７には前記希釈混合ガス（Ｇ３：図７等参照）が供給されることとなる。なお、ＥＧＲ制御弁４２が閉じているときは、外側通路２６と内側通路２７との双方に、通常混合ガスが供給されることとなる。

このエンジン１の吸気弁１７及び排気弁１８を開閉駆動する動弁機構６０，６０は、吸気弁１７及び排気弁１８の開閉タイミングを変更するＶＶＴ（バルブタイミング可変機構）６２，６５と、吸気弁１７及び排気弁１８のリフト量を変更するＶＶＬ（バルブリフト量可変機構）６３，６６とを有している。したがって、ＶＶＴ６２，６５による開閉タイミングの変更により、気筒１３内に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量が調整されることとなる。なお、図１において、符号６１，６４は、吸気カム軸及び排気カム軸を示している。

図３に示すように、このエンジン１には、運転制御装置としてのコントロールユニット７０が備えられている。コントロールユニット７０は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェース回路等を備えており、メモリに、各種の制御マップ及びデータ並びにプログラムを記憶している。

コントロールユニット７０は、エアフローセンサ７１、車速センサ７２、アクセルペダルの操作量を検出するアクセル開度センサ７３、クランク角センサ７４及び酸素濃度センサ７５等から各種検出信号を入力し、その入力結果に基いて、例えばアクセル開度センサ７３及びクランク角センサ７４等から、エンジン１の運転状態が負荷（目標トルク）及びエンジン回転で決定される運転領域のいずれの領域にあるかを判定し、そして、その判定結果に応じて、ポートインジェクタ１９、ＶＶＴ６２，６５、ＶＶＬ６３，６６、スロットルアクチュエータ５２、点火プラグ１６、ＥＧＲ制御弁４２、ＥＧＲ切替弁４５、第１ポート開閉弁２８及び第２ポート開閉弁２９等へ各種制御信号を出力する。

その場合、コントロールユニット７０は、ＶＶＴ６２，６５を制御することにより、排気上死点近傍における吸気弁１７及び排気弁１８のオーバーラップ期間を調整し、気筒１３内に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量を制御すると共に、ＶＶＬ６３，６６を制御することにより、吸気弁１７及び排気弁１８のリフト量を調整し、気筒１３への吸気充填量を制御する。

また、コントロールユニット７０は、点火プラグ１６の作動状態を切り替えることにより、エンジン１の燃焼状態をＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とに切り替えると共に、さらにＥＧＲ切替弁４５の作動状態を切り替えることにより、ＨＣＣＩ燃焼を低負荷領域のＨＣＣＩ燃焼と高負荷領域のＨＣＣＩ燃焼とに切り替える。

具体的には、図４の制御マップに示すように、相対的に低負荷かつ低回転の運転領域は、気筒１３内の混合ガスに点火プラグ１６で火花点火することをせず、気筒１３内の混合ガスをピストン１４の上昇により圧縮上死点近傍において自己着火させるＨＣＣＩ運転領域に設定されている。

ＨＣＣＩ燃焼は、それほどリーンでない混合ガスやＥＧＲガスによる希釈度合いが低い希釈混合ガスを用いると、自己着火のタイミングが早くなり過ぎていわゆるノッキングが起こるという問題がある。したがって、ＨＣＣＩ燃焼では、それほど高い出力は得られないので、図４の制御マップに示すように、相対的に高負荷又は高回転の運転領域は、気筒１３内の混合ガスに点火プラグ１６で火花点火するＳＩ運転領域に設定されている。

なお、ＨＣＣＩ運転領域は、さらに、エンジン負荷が所定値α（所定値αは低回転側ほど大きい値に設定されている）以上の高負荷領域と、所定値α未満の低負荷領域とに区画されているが、これについては後述する。

次に、図５のフローチャートに基いて、このエンジン１のコントロールユニット７０が各種の制御マップ及びデータ並びにプログラムに従って実現する具体的制御動作の１例を説明する。

まず、スタート後のステップＳ１で、各種センサ７１〜７５からの信号を入力したうえで、ステップＳ２で、要求トルクを演算する。要求トルクは、例えば車速及びアクセル開度に基いて又は吸入空気量（エアフローセンサ７１で検出される）及びエンジン回転（クランク角センサ７４で検出される）に基いて演算することができる（さらに内部ＥＧＲガス量を考慮してもよい）。

次いで、ステップＳ３で、前記要求トルク及びエンジン回転を図４の制御マップにあてはめることにより、エンジン１の運転状態がＨＣＣＩ運転領域にあるか否かを判定し、ＨＣＣＩ領域にない場合、つまりＳＩ領域にある場合は、ステップＳ４で、ＥＧＲ切替弁４５を外部ＥＧＲガスが吸気マニホルド２１に供給されるように制御する。つまり、ＥＧＲ制御弁４２が閉のときは、外側通路２６と内側通路２７との双方に通常混合ガスが供給され、ＥＧＲ制御弁４２が開のときには、外側通路２６と内側通路２７との双方に希釈混合ガスが供給されるようにする。

そして、ステップＳ５で、第１、第２ポート開閉弁２８，２９を全開としたうえで、ステップＳ６で、ＳＩ燃焼を実行する。つまり、吸気行程においてポートインジェクタ１９により燃料を噴射し、吸気弁１７を開くことにより、気筒１３内に通常混合ガス又は希釈混合ガスを導入し、該気筒１３内に略理論空燃比の均一混合ガスを形成して、点火プラグ１６により火花点火するのである。そしてリターンする。

一方、前記ステップＳ３で、エンジン１の運転状態がＨＣＣＩ領域にある場合は、ステップＳ７で、排気上死点近傍における負のオーバーラップを実行する。つまり、例えば要求トルク及びエンジン回転を予め実験的に求めた制御マップにあてはめることにより、所要の気筒１３内の内部ＥＧＲガス量が得られる吸気弁１７及び排気弁１８の負のオーバーラップ期間を決定し、その負のオーバーラップ期間が実現するようにＶＶＴ６２，６５を制御するのである。

その際、併せて、要求トルク及びエンジン回転を予め実験的に求めた別の制御マップにあてはめることにより、所要の気筒１３への吸気充填量が得られる吸気弁１７及び排気弁１８のリフト量も決定し、そのリフト量が実現するようにＶＶＬ６３，６６も制御する。

より具体的には、ＶＶＴ６２，６５の制御とＶＶＬ６３，６６の制御とは連動しており、図６に示すように、両制御によって吸気弁１７及び排気弁１８のリフトカーブはそれぞれ連続的に変化する。例えば、エンジン１の負荷（目標トルク）やエンジン回転が高いほど、吸気弁１７及び排気弁１８のリフト量が大きくなり、それに伴い、排気上死点近傍において排気弁１８が閉じる前に吸気弁１７が開き、吸気弁１７と排気弁１８との双方が開いた状態となる正のオーバーラップ期間が生じるようになる（破線参照）。

一方、エンジン１の負荷（目標トルク）やエンジン回転が低いほど、吸気弁１７及び排気弁１８のリフト量が小さくなり、それに伴い、排気上死点近傍において吸気弁１７が開く前に排気弁１８が閉じ、吸気弁１７と排気弁１８との双方が閉じた状態となる負のオーバーラップ期間が生じるようになる（実線参照）。この負のオーバーラップにより、気筒１３内に残留する高温の既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量が多くなり、気筒１３内の温度が高まって、燃料の自己着火が促進されることとなる。

このように、ステップＳ７における負のオーバーラップの実行により、多量の内部ＥＧＲガスが気筒１３内に残留するので、例えば外部ＥＧＲガスよりも温度の高い熱源が気筒１３内に多量に残ることとなり、これにより、ＨＣＣＩ燃焼において燃料の安定な自己着火性が確保されることとなる。

図５に戻り、次いで、ステップＳ８で、ＥＧＲ切替弁４５を外部ＥＧＲガスがＥＧＲ分岐管４３に供給されるように制御する。つまり、ＥＧＲ制御弁４２が閉のときは、外側通路２６と内側通路２７との双方に通常混合ガスが供給され、ＥＧＲ制御弁４２が開のときには、外側通路２６には通常混合ガス（Ｇ２：図７等参照）が供給され、内側通路２７には希釈混合ガス（Ｇ３：図７等参照）が供給されるようにする。

そして、ステップＳ９で、前記要求トルク及びエンジン回転を図４の制御マップにあてはめることにより、エンジン１の運転状態がＨＣＣＩ運転領域の高負荷領域（エンジン負荷が所定値α以上の領域）にあるか否かを判定し、高負荷領域にない場合、つまり低負荷領域（エンジン負荷が所定値α未満の領域）にある場合は、ステップＳ１０で、ＥＧＲ制御弁４２を閉じて、外側通路２６と内側通路２７との双方に通常混合ガスが供給されるようにする。

そして、ステップＳ１１で、第１、第２ポート開閉弁２８，２９を全開としたうえで、ステップＳ１２で、低負荷領域のＨＣＣＩ燃焼を実行する。つまり、吸気行程においてポートインジェクタ１９により燃料を噴射し、吸気弁１７を開くことにより、負のオーバーラップにより温度が高められた気筒１３内に通常混合ガスを導入し、該気筒１３内にリーンな均一混合ガスを形成して、圧縮上死点近傍において燃料を自己着火させるのである。そしてリターンする。

これに対し、前記ステップＳ９で、エンジン１の運転状態がＨＣＣＩ運転領域の高負荷領域にある場合は、ステップＳ１３で、ＥＧＲ制御弁４２を開いて、外側通路２６には通常混合ガス（Ｇ２：図７等参照）が供給され、内側通路２７には希釈混合ガス（Ｇ３：図７等参照）が供給されるようにする。

そして、ステップＳ１４で、負荷（目標トルク）に応じて第１、第２ポート開閉弁２８，２９を制御したうえで、ステップＳ１５で、高負荷領域のＨＣＣＩ燃焼を実行する。つまり、吸気行程においてポートインジェクタ１９により燃料を噴射し、吸気弁１７を開くことにより、負のオーバーラップにより温度が高められた気筒１３内に、外側通路２６からは通常混合ガスＧ２を導入しつつ、これとは別に、内側通路２７からは希釈混合ガスＧ３を導入して、圧縮上死点近傍において燃料を自己着火させるのである。そしてリターンする。

ここで、図７及び図８に示すように、ピストン１４の頂面の中央部には凹陥部１４ａが形成されている。この凹陥部１４ａは、希釈混合ガスＧ３を気筒１３内に放出する内側通路２７，２７の下方の領域内に位置し、通常混合ガスＧ２を気筒１３内に放出する外側通路２６，２６の下方の領域内には位置しないように形成されている。

その結果、吸気行程において吸気弁１７が開いたときには、下降中のピストン１４の前記凹陥部１４ａ内に残留既燃ガス（内部ＥＧＲガス）Ｇ１が保持されたまま、該ピストン１４の上方空間には通常混合ガスＧ２及び希釈混合ガスＧ３が相互に別々の通路２６，２７から供給される。このとき、外側通路２６は、通常混合ガスＧ２を気筒列方向において気筒１３の周縁部に向けて放出し、内側通路２７は、希釈混合ガスＧ３を気筒列方向において気筒１３の中央部に向けて放出する。

これにより、燃料の自己着火前には、気筒１３内に、内部ＥＧＲガスＧ１の量が通常混合ガスＧ２の量又は希釈混合ガスＧ３の量よりも多い、前記凹陥部１４ａ内の第１領域Ｒ１と、この第１領域Ｒ１の上方に隣接して第１領域Ｒ１と接触する、希釈混合ガスＧ３の量が内部ＥＧＲガスＧ１の量又は通常混合ガスＧ２の量よりも多い、気筒中央部の第２領域Ｒ２と、前記第１領域Ｒ１とは接触しないがこの第２領域Ｒ２の側方に隣接して第２領域Ｒ２とは接触する、通常混合ガスＧ２の量が内部ＥＧＲガスＧ１の量又は希釈混合ガスＧ３の量よりも多い、気筒周縁部の第３領域Ｒ３，Ｒ３とが生成することとなる。

つまり、第１領域Ｒ１は、領域内で既燃ガスの占める割合が３つの領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のうちで最も高くなっており、そのため、温度が最も高くなっている。一方、第３領域Ｒ３は、領域内で新気及び燃料の占める割合が３つの領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のうちで最も高く、領域内で既燃ガスの占める割合が３つの領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のうちで最も低くなっており、そのため、温度が最も低くなっている。

その結果、ステップＳ１５の高負荷領域のＨＣＣＩ燃焼では、先に、熱源（内部ＥＧＲガスＧ１）に近い第２領域Ｒ２の希釈混合ガスＧ３の燃料が自己着火して燃焼が開始した後、次に、第３領域Ｒ３の通常混合ガスＧ２の燃料が自己着火して燃焼が開始することとなる。

つまり、気筒１３内で燃料が同じタイミングで一斉に多点着火するのではなく、第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３とでタイミングがずれて自己着火するので、図９に実線で示すように、圧縮上死点近傍で開始した燃焼の速度が全体として緩慢になり、燃焼期間が長くなる。したがって、たとえ圧縮上死点近傍において気筒１３内の温度や圧力が過度に高まった状況下でも、自己着火燃焼時に筒内温度や筒内圧力が短時間内に急激に上昇すること（図９の破線参照）が抑制され、ＮＯｘの生成や燃焼ノイズの増大の問題が低減されることとなる。

しかも、先に燃焼が起こるのは、外部ＥＧＲガスで希釈された希釈混合ガスＧ３なので、燃焼開始時にはまず穏やかな燃焼が起き、その結果、特に燃焼開始時に筒内温度や筒内圧力が急激に上昇することが防がれる。

そして、その後、外部ＥＧＲガスで希釈されておらず、燃焼速度が希釈混合ガスＧ３よりも大きい、通常混合ガスＧ２でも燃焼が起こるので、燃焼全体が緩慢になり過ぎて熱効率が過度に低下するという不具合も免れる。

特に、本実施形態では、エンジン負荷が所定値α以上のときに（ステップＳ９でＹＥＳ）、外部ＥＧＲガスで希釈された希釈混合ガスＧ３を通常混合ガスＧ２とは別の内側通路２７から気筒１３内に導入し、該気筒１３内に第１〜第３の３領域Ｒ１〜Ｒ３を生成させる態様でエンジン１を運転するから、エンジン１が高負荷の運転領域にあり、圧縮上死点近傍において気筒１３内の温度や圧力が過度に高まる傾向が大きいときに、結果として、ＮＯｘの生成や燃焼ノイズの増大の問題が低減されることとなる。

さらに、本実施形態では、負荷（目標トルク）に応じて第１、第２ポート開閉弁２８，２９を制御するから（ステップＳ１４）、例えば第２ポート開閉弁２９を制御して内側通路２７の開度を大きくしたときには、エンジン負荷の増大に応じて希釈混合ガスＧ３の導入量を増量することができ、その結果、圧縮上死点近傍において気筒１３内の温度や圧力が過度に高まる傾向がさらに大きくなるほど、燃焼速度が全体としてより一層緩慢になり、燃焼期間がより一層長くなって、ＮＯｘの生成や燃焼ノイズの増大の問題が確実に低減されることとなる。

また、例えば第１ポート開閉弁２８を制御して外側通路２６の開度を大きくしたときには、エンジン負荷の増大に応じて通常混合ガスＧ２の導入量を増量することができ、その結果、要求トルクを的確に達成することが可能となる。このように、第１、第２ポート開閉弁２８，２９をそれぞれ独立に制御することにより、通常混合ガスＧ２と希釈混合ガスＧ３との比率を変えて、図９に実線で示した特性を所望の形状に変化させることができる。

なお、本実施形態では、前記凹陥部１４ａはピストン１４の頂面に円形に形成されていたが、これに代えて、例えば図７において横に長い長円形等に形成されてもよい。また、ピストン１４の頂面の中央部に限らず、例えば図７において横方向に偏位していてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態を図１０及び図１１を参照して説明する。ただし、先の第１の実施形態と異なる特徴部分のみ説明し、同じ又は対応する構成要素には同じ符号を用いる。

この第２の実施形態では、ピストン１４の頂面には凹陥部１４ａが形成されていない。代わりに、吸気ポート２４及び仕切り壁２５は、気筒列方向に傾斜して設けられている。その結果、吸気行程において吸気弁１７が開いたときには、外側通路２６は、通常混合ガスＧ２を気筒列方向において気筒１３の周縁部（第１実施形態よりも気筒１３の中央部からさらに離間する周縁部）に向けて放出し、内側通路２７は、希釈混合ガスＧ３を気筒列方向において気筒１３の中央部と気筒１３の周縁部との間に向けて放出する。

これにより、燃料の自己着火前には、気筒１３内に、内部ＥＧＲガスＧ１の量が通常混合ガスＧ２の量又は希釈混合ガスＧ３の量よりも多い、気筒中央部の第１領域Ｒ１と、この第１領域Ｒ１の側方に隣接して第１領域Ｒ１と接触する、希釈混合ガスＧ３の量が内部ＥＧＲガスＧ１の量又は通常混合ガスＧ２の量よりも多い、気筒中央部と気筒周縁部との間の第２領域Ｒ２，Ｒ２と、前記第１領域Ｒ１とは接触しないがこの第２領域Ｒ２のさらに側方に隣接して第２領域Ｒ２とは接触する、通常混合ガスＧ２の量が内部ＥＧＲガスＧ１の量又は希釈混合ガスＧ３の量よりも多い、気筒周縁部の第３領域Ｒ３，Ｒ３とが生成することとなり、結果的に、第１実施形態と同様の効果が得られることとなる。

以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明は、ＨＣＣＩ方式のガソリンエンジンにおいて、燃料の安定な自己着火性を確保しつつ、自己着火燃焼時に筒内温度や筒内圧力が短時間内に急激に上昇することを抑制して、ＮＯｘの生成や燃焼ノイズの増大の問題を低減することが可能な技術であるから、ガソリンエンジンのさらなる燃費の改善及び排気の浄化を図る技術分野において広範な産業上の利用可能性が期待される。

１ ガソリンエンジン
１３ 気筒
１４ ピストン
１４ａ 凹陥部
１７ 吸気弁
１８ 排気弁
１９ ポートインジェクタ
２１ 吸気マニホルド
２４ 吸気ポート
２５ 仕切り壁
２６ 外側通路
２７ 内側通路
２８ 第１ポート開閉弁（混合ガス量調整弁）
２９ 第２ポート開閉弁（希釈混合ガス量調整弁）
３１ 排気マニホルド
４０ ＥＧＲ管
４２ ＥＧＲ制御弁
４３ ＥＧＲ分岐管
４５ ＥＧＲ切替弁
５１ スロットル弁
７０ 制御手段（コントロールユニット）
Ｇ１ 既燃ガス
Ｇ２ 混合ガス（通常の混合ガス）
Ｇ３ 希釈混合ガス
Ｒ１ 第１の領域
Ｒ２ 第２の領域
Ｒ３ 第３の領域

Claims (5)

1. 排気上死点近傍において吸気弁を開く前に排気弁を閉じて既燃ガスを残留させた気筒内に、吸気行程において新気及び燃料でなる混合ガスを導入し、圧縮上死点近傍において前記燃料を自己着火させるようにしたガソリンエンジンの制御方法であって、
   前記吸気行程では、前記混合ガスとは別に、新気、燃料及び排気系から還流された還流排気ガスでなる希釈混合ガスを前記気筒内に導入し、
   前記燃料の自己着火前に、前記気筒内に、前記既燃ガスの量が前記混合ガスの量又は前記希釈混合ガスの量よりも多い第１の領域と、この第１の領域と接触し、前記希釈混合ガスの量が前記既燃ガスの量又は前記混合ガスの量よりも多い第２の領域と、この第２の領域と接触し、前記第１の領域と接触しない、前記混合ガスの量が前記既燃ガスの量又は前記希釈混合ガスの量よりも多い第３の領域とを生成させることを特徴とするガソリンエンジンの制御方法。
2. 請求項１に記載のガソリンエンジンの制御方法において、
   前記吸気行程では、エンジン負荷が所定値以上のときに、前記希釈混合ガスの導入を行うことを特徴とするガソリンエンジンの制御方法。
3. 請求項２に記載のガソリンエンジンの制御方法において、
   前記吸気行程では、エンジン負荷の増大に応じて、前記希釈混合ガスの導入量を増量することを特徴とするガソリンエンジンの制御方法。
4. 排気上死点近傍において吸気弁を開く前に排気弁を閉じて既燃ガスを残留させた気筒内に、吸気行程において新気及び燃料でなる混合ガスを導入し、圧縮上死点近傍において前記燃料を自己着火させるようにしたガソリンエンジンの制御装置であって、
   ピストンの頂面の中央部に凹陥部が形成され、
   各気筒毎に前記吸気弁で開閉される吸気ポートが気筒列方向に気筒中心を挟んで２つ設けられ、
   各吸気ポートは気筒列方向に並ぶ２つの通路に仕切られ、
   これらの２つの通路のうち気筒列方向において気筒外側の通路に、前記混合ガスが供給され、気筒内側の通路に、新気、燃料及び排気系から還流された還流排気ガスでなる希釈混合ガスが供給されるように構成され、
   前記気筒外側の通路は、供給された前記混合ガスを気筒列方向において気筒の周縁部に向けて放出し、前記気筒内側の通路は、供給された前記希釈混合ガスを気筒列方向において気筒の中央部に向けて放出するように構成され、
   前記吸気行程において、前記気筒外側の通路に前記混合ガスが供給され、前記気筒内側の通路に前記希釈混合ガスが供給された状態で、前記吸気弁を開く制御手段が設けられていることを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
5. 排気上死点近傍において吸気弁を開く前に排気弁を閉じて既燃ガスを残留させた気筒内に、吸気行程において新気及び燃料でなる混合ガスを導入し、圧縮上死点近傍において前記燃料を自己着火させるようにしたガソリンエンジンの制御装置であって、
   各気筒毎に前記吸気弁で開閉される吸気ポートが気筒列方向に気筒中心を挟んで２つ設けられ、
   各吸気ポートは気筒列方向に並ぶ２つの通路に仕切られ、
   これらの２つの通路のうち気筒列方向において気筒外側の通路に、前記混合ガスが供給され、気筒内側の通路に、新気、燃料及び排気系から還流された還流排気ガスでなる希釈混合ガスが供給されるように構成され、
   前記気筒外側の通路は、供給された前記混合ガスを気筒列方向において気筒の周縁部に向けて放出し、前記気筒内側の通路は、供給された前記希釈混合ガスを気筒列方向において気筒の中央部と気筒の周縁部との間に向けて放出するように構成され、
   前記吸気行程において、前記気筒外側の通路に前記混合ガスが供給され、前記気筒内側の通路に前記希釈混合ガスが供給された状態で、前記吸気弁を開く制御手段が設けられていることを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。

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