JP2015034475A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードバック制御と比較して簡易な演算で気筒内の温度を制御できる内燃機関の制御装置の提供。【解決手段】エンジンは、既燃ガスの一部を内部ＥＧＲガスとしてシリンダ内に残留させ、このシリンダ内に形成された均質混合気内に火種用の燃料を噴射及び着火し、これを火種として均質混合気を圧縮着火によって燃焼させる火種補助圧縮着火式である。制御装置は、内部ＥＧＲ率及び実効圧縮比を変更可能なＩＮ側ＶＴＣ及びＥＸ側ＶＴＣと、内部ＥＧＲ温度Tex、吸入ガス温度TA、火種用混合気の着火時期における筒内温度の目標火種着火時期温度Thidane_trg、及び係数αを変数として含む内部ＥＧＲ率に対する２次方程式の解を目標内部ＥＧＲ率rEGR_trgとして設定する目標内部ＥＧＲ率設定手段と、目標内部ＥＧＲ率rEGR_trgに基づいてＩＮ側ＶＴＣの目標位相角、ＥＸ側ＶＴＣの目標位相角を設定する制御手段を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。より詳しくは、気筒内に形成された均質混合気を圧縮着火によって燃焼させるものであって、既燃ガスの一部を内部ＥＧＲガスとして気筒内に残留させる内部ＥＧＲ制御と均質混合気内に火種用の燃料を噴射及び着火する火種燃焼制御とを併用した火種補助圧縮着火式の内燃機関の制御装置に関する。

希薄かつ均質な混合気を気筒内に形成し、この均質混合気を圧縮着火によって燃焼させる予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）燃焼が可能な内燃機関が提案されている。このＨＣＣＩ燃焼は、ＮＯｘの排出量が少なくまた実効圧縮比を高めて高効率な運転が可能である。しかしながらこのＨＣＣＩ燃焼は、例えば、高負荷の運転領域では、適切なタイミングで均質混合気を燃焼させることが困難であり、ノッキングや失火等が生じやすい。このため、ＨＣＣＩ燃焼が困難な高負荷運転領域を補うべく、点火プラグによって混合気を燃焼させる火花点火（ＳＩ）燃焼とＨＣＣＩ燃焼とを、運転領域に応じて切り替えることが行われている。

また近年では、ＨＣＣＩ燃焼をさらに安定して実現するため、気筒内に形成された均質混合気内にさらに局所的に燃料を噴射及び着火し、これを火種として均質混合気の自着火を誘発させる火種補助圧縮着火式の技術が提案されている。このような火種補助圧縮着火式の内燃機関の制御装置では、火種を狙い通りに燃焼させ、圧縮端温度（圧縮工程においてピストンが上死点に位置する時の気筒内の温度）を均質混合気が自着火するような適切な温度に維持するためには、圧縮初期温度（圧縮工程においてピストンが下死点に位置する時の気筒内の温度）から適切に制御する必要がある。

またこの圧縮初期温度は、気筒内に残留する既燃ガスの量、いわゆる内部ＥＧＲ量を増減することによって制御することができる（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の発明では、圧縮端温度に対する目標となる目標圧縮端温度を設定し、さらに内燃機関に対する要求トルクに応じて、目標圧縮端温度が得られるような内部ＥＧＲ量を算出し、さらにこの内部ＥＧＲ量に応じて排気バルブの閉時期を規定するカム位相可変機構のカム位相を設定している。

特開２０１１−２２０１２１号公報

また、上記特許文献１に示された技術の他、圧縮端温度を適切な目標圧縮端温度に維持するため、目標圧縮端温度が実現されるような目標内部ＥＧＲ率及び目標実効圧縮比を設定し、これらをフィードバック制御によって制御することが考えられる。しかしながら、このようなフィードバック制御に基づく方法を実現しようとした場合、回転数に比例して演算を行うＥＣＵにかかる負担が大きくなることから、ＥＣＵの性能によっては制御可能な回転数に上限を設けざるを得なくなってしまう場合がある。また、フィードバック制御に基づく方法では、収束するまでの間に意図しない燃焼を起こしてしまう場合がある。

本発明は、フィードバック制御と比較して簡易な演算で気筒内の温度を制御できる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の内燃機関（例えば、後述のエンジン１）は、既燃ガスの一部を内部ＥＧＲガスとして気筒（例えば、後述のシリンダ１１ａ）内に残留させるとともに、当該気筒内に形成された均質混合気内に火種用の燃料を噴射及び着火し、これを火種として均質混合気を圧縮着火によって燃焼させる火種補助圧縮着火式である。その制御装置は、内部ＥＧＲ率及び実効圧縮比を変更可能な排気バルブ（例えば、後述の排気バルブ１４ｅ）及び吸気バルブ（例えば、後述の吸気バルブ１４ｉ）の可変動弁機構（例えば、後述のＩＮ側ＶＴＣ１８ｉ、及びＥＸ側ＶＴＣ１８ｅ）と、内部ＥＧＲガスの温度である内部ＥＧＲ温度（Tex）を取得する内部ＥＧＲ温度取得手段（例えば、後述の排気温度センサ６７、及びＥＣＵ５）と、前記気筒内に導入される吸気の温度である吸入ガス温度（TA）を取得する吸入ガス温度取得手段（例えば、後述の吸気センサ６６、及びＥＣＵ５等）と、火種用混合気の着火時期における筒内温度の目標である目標火種着火時期温度（Thidane_trg）を設定する目標火種着火時期温度設定手段（例えば、後述のＥＣＵ５）と、前記内部ＥＧＲ温度（Tex）、前記吸入ガス温度（TA）、前記目標火種着火時期温度（Thidane_trg）、及び所定の係数（α）を変数として含む内部ＥＧＲ率（rEGR）に対する２次方程式の解を目標内部ＥＧＲ率（rEGR_trg）として設定する目標内部ＥＧＲ率設定手段（例えば、後述のＥＣＵ５）と、当該目標内部ＥＧＲ率に基づいて前記可変動弁機構を制御する制御手段（例えば、後述のＥＣＵ５）と、を備える。

（２）この場合、前記制御装置は、前記着火時期の目標である目標火種着火時期（AgHidane_trg）と、前記目標火種着火時期温度（Thidane_trg）と、ポンプロスの目標である目標ポンプロス（PMEP_trg）とを入力として、予め設定された統計モデルによって前記所定の係数（α）を算出する係数算出手段（例えば、後述のＥＣＵ５）をさらに備えることが好ましい。

（３）この場合、前記制御装置は、前記所定の係数（α）及び前記目標内部ＥＧＲ率（rEGR_trgt）に基づいて前記着火時期における実効圧縮比の目標である目標火種着火時期実効圧縮比（εHidane_trg）を設定する目標実効圧縮比設定手段（例えば、後述のＥＣＵ５）をさらに備え、前記制御手段は、前記目標内部ＥＧＲ率（rEGR_trg）及び前記目標火種着火時期実効圧縮比（εHidane_trg）が実現されるように前記可変動弁機構の作動量（INVTC_trg,EXVTC_trg）を設定することが好ましい。

（１）本発明では、内部ＥＧＲ温度と吸入ガス温度を取得し、さらに火種用混合気の着火時期における筒内温度の目標である目標火種着火時期温度を設定する。また本発明では、これら内部ＥＧＲ温度、吸入ガス温度、目標火種着火時期温度、及び所定の係数を変数として含む内部ＥＧＲ率に対する２次方程式の解を目標内部ＥＧＲ率として設定する。これにより、フィードバック制御と比較して少ない演算回数で目標火種着火時期温度が実現されるような目標内部ＥＧＲ率を設定できるので、回転数に上限を設ける必要がなくなる。また、フィードバック制御と異なり複数の燃焼サイクルにわたって繰り返し演算することなく、１回の燃焼サイクルごとに閉じた演算によって適切な目標内部ＥＧＲ率を設定できるので、意図しない燃焼が生じることが無い。

（２）本発明では、上記内部ＥＧＲ率に対する２次方程式を構築する際に導入される所定の係数を、これと相関のある目標火種着火時期と、目標火種着火時期温度と、目標ポンプロスとの３つの入力に基づいて、予め設定された統計モデルに基づいて算出する。これにより、フィードバック制御と比較して少ない演算回数で目標内部ＥＧＲ率を設定することができる。また、１回の燃焼サイクルごとに閉じた演算によって適切な目標内部ＥＧＲ率を設定できるので、意図しない燃焼が生じることも無い。また、目標ポンプロスを入力として含む統計モデルを利用して所定の係数を算出することにより、例えば、ポンプロスが最小となるように目標内部ＥＧＲ率を設定することができる。

（３）本発明によれば、上述のようにして定めた目標内部ＥＧＲに基づいて目標火種着火時期実効圧縮比を設定し、さらにこれら目標内部ＥＧＲ率及び目標火種着火時期実効圧縮比が実現されるように可変動弁機構の作動量を設定することにより、火種着火時期温度がその目標に一致するように適切に可変動弁機構を制御することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンとその制御装置の構成を示す図である。 ＳＩ燃焼モードにおける排気バルブ及び吸気バルブの動作例を示す図である。 自着火誘発温度と、圧縮端温度をこの自着火誘発温度に昇温するための手段の内訳を模式的に示す図である。 火種ＨＣＣＩ燃焼モードにおける排気バルブ及び吸気バルブの動作例を示す図である。 燃焼モードを選択する際に参照される制御マップを模式的に示す図である。 火種着火時期温度制御の具体的な手順を示すフローチャートである。 目標燃焼重心位置を決定するマップの具体例を示す図である。 目標火種着火時期温度を決定するマップの具体例を示す図である。 目標ポンプロスを決定するマップの具体例を示す図である。 ＩＮ側ＶＴＣの目標位相角を決定するテーブルの具体例を示す図である。 ＥＸ側ＶＴＣの目標位相角を決定するテーブルの具体例を示す図である。 火種着火時期温度制御のシミュレーションによる結果を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、単に「エンジン」という）１及びその制御装置の構成を示す図である。

エンジン１は、複数、例えば４つのシリンダ１１ａを備えた４気筒エンジンであり、図１にはこのうちの１つを代表的に示す。エンジン１は、シリンダ１１ａが形成されたシリンダブロック１１と、シリンダヘッド１２とを組み合わせて構成される。このエンジン１には、吸気が通流する吸気管２と、排気が通流する排気管３と、排気管３内の排気の一部を吸気管２に還流するＥＧＲ管４と、が設けられている。

シリンダ１１ａ内にはピストン１３ａが摺動可能に設けられており、このピストン１３ａの頂面とシリンダヘッド１２のシリンダ１１ａ側の面により、エンジン１の燃焼室１２ａが形成される。ピストン１３ａは、コンロッド１３ｂを介してクランクシャフト１３ｃに連結されている。すなわち、シリンダ１１ａ内におけるピストン１３ａの往復動に応じてクランクシャフト１３ｃが回転する。

シリンダヘッド１２には、燃焼室１２ａと吸気管２とを接続する吸気ポート１２ｉと、燃焼室１２ａと排気管３とを接続する排気ポート１２ｅとが形成されている。また、シリンダヘッド１２には、吸気ポート１２ｉのうち燃焼室１２ａに臨む吸気開口を開閉するは吸気バルブ１４ｉと、排気ポート１２ｅのうち燃焼室１２ａに臨む排気開口を開閉する排気バルブ１４ｅとが設けられている。

シリンダヘッド１２には、燃焼室１２ａ内に臨む点火プラグ１５が設けられている。点火プラグ１５は、図示しないイグナイタ及びドライバを介してその電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）５に接続される。点火プラグ１５は、ＥＣＵ５によって実行される図示しない点火制御によって定められたタイミングで火花を発生し、シリンダ１１ａ内に形成された混合気に着火する。

また、シリンダヘッド１２には、図示しないタイミングベルトを介してクランクシャフト１３ｃと連結され、クランクシャフト１３ｃの回転に従って回転する吸気カムシャフト１６ｉ及び排気カムシャフト１６ｅが設けられている。より具体的には、クランクシャフト１３ｃが２回転すると、カムシャフト１６ｉ，１６ｅは１回転するようになっている。吸気カムシャフト１６ｉには、吸気バルブ１４ｉを開閉駆動する吸気カム１７ｉが設けられ、排気カムシャフト１６ｅには、排気バルブ１４ｅを開閉駆動する排気カム１７ｅが設けられている。これにより、カムシャフト１６ｉ，１６ｅが回転すると、バルブ１４ｉ，１４ｅはカム１７ｉ，１７ｅのプロファイルに応じた態様で進退する。

吸気カムシャフト１６ｉの一端部には、クランクシャフト１３ｃに対する吸気カム１７ｉのカム位相を変更する吸気側のカム位相可変機構（以下、「ＩＮ側ＶＴＣ」という）１８ｉと、吸気バルブ１４ｉの最大開度（すなわち、最大リフト量）と開弁期間（すなわち、開弁角度幅）を変更する吸気側のバルブリフト可変機構（いわゆる、ＶＴＥＣ（登録商標）１９ｉと呼称される機構であり、以下では「ＩＮ側ＶＴＥＣ」という）とが設けられている。また、排気カムシャフト１６ｅの一端部にも同様に、クランクシャフト１３ｃに対する排気カム１７ｅのカム位相を変更する排気側のカム位相可変機構（以下、「ＥＸ側ＶＴＣ」という）１８ｅと、排気バルブ１４ｅの最大リフト量と開弁角度幅を変更する排気側のバルブリフト可変機構（以下、「ＥＸ側ＶＴＥＣ」という）とが設けられている。

ＩＮ側ＶＴＣ１８ｉは、吸気カムシャフト１６ｉのカム位相を無段階に進角又は遅角させることにより、吸気バルブ１４ｉの開閉タイミング（すなわち開時期（ＩＶＯ）及び閉時期（ＩＶＣ））を早めたり遅らせたりできる。本実施形態の制御装置では、このようなＩＮ側ＶＴＣ１８ｉによってエンジン１の燃焼室１２ａの実効圧縮比を可変的に制御可能なアトキンソンサイクル（ミラーサイクル）での運転が実現される。すなわち、ＩＮ側ＶＴＣ１８ｉによって吸気バルブ１４ｉの閉時期を下死点に対し進角側又は遅角側に補正し、吸気量を減少させることにより、実効圧縮比を下げることができる。

ＥＸ側ＶＴＣ１８ｅは、ＩＮ側ＶＴＣ１８ｉとほぼ同じ機構によって、排気バルブ１４ｅの開閉タイミング（すなわち開時期（ＥＶＯ）及び閉時期（ＥＶＣ））を早めたり遅らせたりする。本実施形態の制御装置では、このようなＥＸ側ＶＴＣ１８ｉによって排気バルブ１４ｅの閉時期を変更することによって内部ＥＧＲ率（吸気バルブが閉弁した後に燃焼室１２ａ内に存在する総ガス量（新気と既燃ガスとを合わせたガスの量）に対する既燃ガス量の割合））を制御する。より具体的には、排気バルブ１４ｅの閉時期を上死点に対し進角側に補正すると、燃焼室１２ａ内に閉じ込められる既燃ガスの量が増加するので、内部ＥＧＲ率は増加する。

以上のように、本実施形態の制御装置では、内部ＥＧＲ率及び実効圧縮比を変更可能な吸気バルブ１４ｉ及び排気バルブ１４ｅの可変動弁機構は、ＩＮ側ＶＴＣ１８ｉ及びＥＸ側ＶＴＣ１８ｅによって構成される。

これらＶＴＣ１８ｉ，１８ｅは、例えば油圧によってカム位相を変更するものが用いられる。ＥＣＵ５は、クランクシャフト１３ｃに対する吸気カム１７ｉ及び排気カム１７ｅのカム位相の目標（目標位相角）を燃焼サイクルごとに設定し（例えば、後述の図６参照）、ＶＴＣ１８ｉ，１８ｅは、ＥＣＵ５によって設定された目標位相角が達成されるように吸気カム１７ｉ及び排気カム１７ｅのカム位相を無段階に進角又は遅角させる。

また、吸気カム１７ｉ及び排気カム１７ｅは、それぞれカムノーズが異なる低速カムと高速カムとの少なくとも２種類のカムを備える（図示略）。ＩＮ側ＶＴＥＣ１９ｉは、吸気カム１７ｉを低速カムと高速カムとの間で選択的に切り替えることによって吸気バルブ１４ｉの最大リフト量と開弁角度幅を低速用と高速用とで切り替える。ＥＸ側ＶＴＥＣ１９ｅは、ＩＮ側ＶＴＥＣ１９ｉとほぼ同じ機構によって、排気カム１７ｅを低速カムと高速カムとの間で選択的に切り替えることによって排気バルブ１４ｅの最大リフト量と開弁角度幅を低速用と高速用とで切り替えている。これらＶＴＥＣ１９ｉ，１９ｅもＶＴＣ１８ｉ，１８ｅと同様に、例えば油圧によって上記切換動作を行うものが用いられる。すなわち、これらＶＴＥＣ１９ｉ，１９ｅは、ＥＣＵ５における図示しない処理によって定められたタイミングでバルブ１４ｉ，１４ｅを駆動するカムを低速カムと高速カムとで切り換える。

吸気ポート１２ｉのうち吸気開口よりも上流側には、燃焼室１２ａ側へ向かって燃料を噴射するポートインジェクタＰＩが設けられ、シリンダヘッド１２には、燃焼室１２ａ内へ直接燃料を噴射する直噴インジェクタＤＩ設けられている。これらインジェクタＰＩ，ＤＩからの燃料噴射量（噴射期間）及びその燃料噴射タイミングは、ＥＣＵ５において実行される図示しない燃料噴射制御によって制御される。

吸気管２には、エンジン１の燃焼室１２ａに供給される空気の量（すなわち、吸気量）を制御するスロットル弁２２が設けられている。スロットル弁２２は、図示しないドライバを介してＥＣＵ５と接続されている。すなわち、このスロットル弁２２は、運転者が操作するアクセルペダル（図示せず）と機械的な接続が絶たれた所謂ＤＢＷ（Drive By Wire）スロットルと呼称されるものである。スロットル弁２２は、ＥＣＵ５において実行される図示しない吸気量制御によって適切な開度に制御される。

排気管３には、排気を浄化する排気浄化触媒３１が設けられている。排気浄化触媒３１は、例えば三元触媒であり、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を浄化する。

ＥＧＲ管４は、排気管３のうち排気浄化触媒３１の下流側と、吸気管２のうちスロットル弁２２の下流側とを接続し、エンジン１から排出された排気の一部を還流する。このＥＧＲ管４には、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ４１と、還流する排気の流量を制御するＥＧＲ弁４２とが設けられている。ＥＧＲ弁４２は、図示しないドライバを介してＥＣＵ５に接続されている。ＥＧＲ弁４２は、ＥＣＵ５において実行される図示しない吸気量制御によって適切な開度に制御される。

ＥＣＵ５は、エンジン１及びその付帯装置を電子的に制御する電子制御ユニットであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び各種インターフェースなどの電子回路を含んで構成される。ＥＣＵ５には、エンジン１の状態及びエンジン１を搭載した車両の状態等を把握するため、複数のセンサ６１〜６６が接続されている。

筒内圧センサ６１は、１つのシリンダ１１ａに対して１つずつ設けられている。図１には、これら複数の筒内圧センサ６１のうちの１つのみを代表的に示す。筒内圧センサ６１は、シリンダ１１ａ内の圧力（筒内圧）を検出し、ＥＣＵ５に送信する。複数のパラメータのうちの１つである燃焼重心位置や筒内最大圧は、この筒内圧センサ６１の出力に基づいてＥＣＵ５における図示しない処理によって算出される。

吸気側カムセンサ６２ｉは、吸気カムシャフト１６ｉの回転に伴い、所定のカム角ごとにパルス信号をＥＣＵ５に送信する。排気側カムセンサ６２ｅは、排気カムシャフト１６ｅの回転に伴い、所定のカム角ごとにパルス信号をＥＣＵ５に送信する。ＥＣＵ５では、これらカムセンサ６２ｉ，６２ｅから送信されるパルス信号に基づいて、カムシャフト１６ｉ，１６ｅの実際のカム位相を把握する。

クランク角センサ６３は、クランクシャフト１３ｃに固定されたパルサの回転に応じて、所定のクランク角ごとにパルス信号をＥＣＵ５に送信する。ＥＣＵ５では、このクランク角センサ６３からのパルス信号に基づいて実際のエンジンの回転数が把握される。

アクセルペダルセンサ６５は、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量を検出し、これに応じた検出信号をＥＣＵ５に送信する。運転者からエンジン１に要求されるトルクに相当する要求トルクは、アクセルペダルセンサ６５から送信される検出信号や、エンジン回転数等に基づいて、ＥＣＵ５における図示しない処理によって算出される。

吸気センサ６６は、吸気管２内の吸気の状態を検出するセンサである。より具体的には、この吸気センサ６６は、対象箇所の吸気の温度（以下、「吸気温度」という）に略比例した検出信号をＥＣＵ５に送信する吸気温度センサ、及び対象箇所の吸気の圧力（以下、「吸気圧」という）に略比例した検出信号をＥＣＵ５に送信する吸気圧センサ等で構成される。

以上のように構成されたエンジン１は、運転状態に応じてその燃焼モードを、火花点火燃焼モード（以下、「ＳＩ（Spark Ignition）燃焼モード」という）と、火種補助予混合圧縮着火燃焼モード（以下、「火種ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）燃焼モード」という）とで切り替えることができる。

ＳＩ燃焼モードでは、例えば、吸気工程中にインジェクタＰＩにより吸気ポート１２ｉ内に所定量の燃焼を噴射し、さらに圧縮工程中にインジェクタＤＩにより所定量の燃料を噴射した後、所定のタイミングで点火プラグ１５から火花を発し、シリンダ１１ａ内に形成された混合気を着火燃焼させる。ここで、ＳＩ燃焼モードにおける吸気量制御及び燃料噴射制御では、シリンダ１１ａ内に形成される混合気の空燃比は、後述の火種ＨＣＣＩ燃焼モードと異なり、理論空燃比（例えば、A/F=14.7程度）とほぼ等しくなるように調整される。

図２は、ＳＩ燃焼モードにおける排気バルブ及び吸気バルブの動作例を示す図である。ＳＩ燃焼モードでは、ピストンが下死点から上死点に向かう排気工程にわたって排気バルブを開き、ピストンが上死点から下死点に向かう吸気工程にわたって吸気バルブを開く。また図２に示すように、ＳＩ燃焼モードでは、吸気バルブ及び排気バルブは、両者の開弁時期に正の重複が生じるように駆動される。

火種ＨＣＣＩ燃焼モードでは、上記ＳＩ燃焼モードと異なり、混合気を圧縮着火によって燃焼させる。このため、筒内温度（特に、ピストンが上死点に達した時の筒内温度である圧縮端温度）については、ＳＩ燃焼モードよりも高い自着火誘発温度（約１０００[K]）まで上昇させる必要がある。圧縮端温度が自着火誘発温度より大きく下回ると失火してしまい、圧縮端温度が自着火誘発温度より大きく上回ると過早着火してしまう。このため、火種ＨＣＣＩ燃焼モードを安定して実現するためには、圧縮端温度を自着火誘発温度の近傍に高い精度で制御することが重要となる。

図３は、自着火誘発温度と、圧縮端温度をこの自着火誘発温度に昇温するための手段の内訳を模式的に示す図である。本実施形態の制御装置では、断熱圧縮と、既燃ガスの一部を内部ＥＧＲガスとしてシリンダ内に残留させる内部ＥＧＲ制御による昇温と、火種発熱による昇温とを組み合わせることによって、圧縮端温度を自着火誘発温度まで上昇させる。

より具体的には、火種ＨＣＣＩ燃焼モードでは、初めに吸気工程中にポートインジェクタＰＩにより吸気ポート１２ｉ内に所定量の燃料を噴射することによって、シリンダ内に希薄かつ均質な混合気を形成する。次に、圧縮工程中に直噴インジェクタＤＩによりシリンダ内に微量の火種用の燃料を噴射し、先に形成された均質混合気内に局所的に火種用混合気を形成する。次に、例えば点火プラグ１５によって適切なタイミングで火花を発生させ、これを契機として火種用混合気に着火し、これを火種として周囲の均質混合気の圧縮自着火を誘発させる。火種ＨＣＣＩ燃焼モードでは、局所的に形成した火種用混合気を燃焼させることにより、圧縮端温度を上昇させるとともに周囲の均質混合気の圧縮自着火を誘発させる。なお、火種ＨＣＣＩ燃焼モードにおける吸気量制御及び燃料噴射制御では、シリンダ１１ａ内に形成される混合気の空燃比は、上記ＳＩ燃焼モードと異なり理論空燃比よりもリーン（例えば、A/F=25程度）になるように調整される。なお、火種ＨＣＣＩ燃焼モード時における直噴インジェクタＤＩからの火種用燃料の噴射量や噴射時期を決定する火種量制御や、後述の目標火種着火時期に火種用混合気が着火するように火花プラグの点火時期を決定する点火制御等の詳細な説明は省略する。

図４は、火種ＨＣＣＩ燃焼モードにおける排気バルブ及び吸気バルブの動作例を示す図である。なお図４には、ＳＩ燃焼モードとの相違を明確にするため、ＳＩ燃焼モードにおけるこれらバルブの動作例を破線で示す。

火種ＨＣＣＩ燃焼モードでは、排気バルブの開弁時期と吸気バルブの開弁時期とに負の重複（ＮＯＬ（Negative OverLap））が生じるように排気バルブの閉弁時期を早めることにより、既燃ガスをシリンダ内に閉じ込め、圧縮端温度を上記自着火誘発温度まで上昇させる。また火種ＨＣＣＩ燃焼モードでは、このように排気バルブの閉弁時期を早めると同時に吸気バルブの閉弁時期を遅らせることにより、ポンプロスを最小限にする。

図５は、ＥＣＵ５において燃焼モードを選択する際に参照される制御マップを模式的に示す図である。燃焼モードは、エンジンの運転状態を特定する運転状態パラメータに基づいて、ＥＣＵ５において所定の周期で決定される。ここで、運転状態パラメータとしては、具体的には図５に示すようにエンジン回転数及び要求トルクが挙げられる。図５に示す例によれば、エンジンの運転状態が低回転数かつ低負荷である場合にのみ、火種ＨＣＣＩ燃焼モードが燃焼モードとして決定され、エンジンの運転状態がそれ以外の場合は、ＳＩ燃焼モードが燃焼モードとして決定される。

図６は、火種ＨＣＣＩ燃焼モード時における火種着火時期温度制御の具体的な手順を示すフローチャートである。上述のように、火種ＨＣＣＩ燃焼モードでは、圧縮工程中に所定のタイミングで火種用混合気に着火した後に、この火種用混合気の燃焼を利用して均質混合気を圧縮自着火させる。ここで、「火種着火時期温度」とは、火種用混合気が着火する時における筒内温度に相当する。図６に示す一連の処理は、燃焼モードとして火種ＨＣＣＩ燃焼モードが選択されている間に、燃焼サイクルごとにＥＣＵ５において実行される。

初めにＳ１では、以下の演算において必要となるエンジン回転数NE(k)及び要求トルクTRQ(k)を取得し、次ステップＳ２へ移る。なお、以下の説明では、今回の燃焼サイクルにおいて算出又は取得される値については、離散時刻を示す符号”k”を付す。これに対し、前回の燃焼サイクルにおいて算出又は取得された値については符号”k-1”を付す。

Ｓ２では、以下の演算において必要となる筒内の状態を示す複数のパラメータ（実内部ＥＧＲ率rEGR_act(k)、筒内吸入ガス温度推定値TA(k)、内部ＥＧＲ温度推定値Tex(k)等）を取得し、Ｓ４に移る。

ここで、実内部ＥＧＲ率rEGR_act(k)は、例えば排気バルブの閉弁タイミングにおける筒内容積及び筒内圧に基づいて既知の方法によって推定される。
筒内吸入ガス温度推定値TA(k)は、新たに気筒内に導入されるガスの温度に相当し、例えば、吸気センサによって検出された吸気温度に基づいて既知の方法によって算出される。

内部ＥＧＲ温度推定値Tex(k)は、内部ＥＧＲ制御によって気筒内に閉じ込められる既燃ガスの温度に相当し、例えば、排気温度センサによって検出された排気温度に基づいて既知の方法によって算出される。例えば排気温度センサの検出箇所が排気ポートに近い場合、排気温度センサによって検出された排気温度を、気筒内に閉じ込められる既燃ガスの温度として近似できる。

Ｓ４では、Ｓ１で取得した回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに基づいて図７に例示するマップを検索することにより、今回の燃焼サイクルにおける燃焼重心位置に対する目標に相当する目標燃焼重心位置MBF50_trg[deg.]を設定する。ここで燃焼重心位置とは、気筒内の混合気全体の質量に対する燃焼した部分の質量の割合が５０％となる位置に相当する。なお、本実施形態では、燃焼重心位置に目標を設定する場合について説明するが、本発明はこれに限らない。例えば、燃焼重心位置の代わりに、筒内圧が最大となる位置に相当する筒内最大圧位置（Pmax位置）に目標を設定するようにしてもよい。燃焼重心位置と筒内最大圧位置とは概ね同じになることから、このようにしても同様の効果を奏すると考えられる。

Ｓ５では、火種用混合気の着火時期（以下、「火種着火時期」という）に対する目標である目標火種着火時期AgHidane_trg[deg.]を設定する。換言すれば、この目標着火時期AgHidane_trgは、図示しない点火制御において、火種用混合気が着火する時期に相当する。より具体的には、この目標火種着火時期AgHidane_trgは、下記式（１）に示すように、Ｓ４で算出した目標MBF50_trgから、火種用混合気が燃焼する時間に相当する火種燃焼期間AngleHidane[deg.]及び所定量の均質混合気が燃焼する時間に相当する主燃焼期間AngleMain[deg.]を減算することによって算出される。ここで、２つの期間AngleHidane,AngleMainは、図示しない処理によって燃焼サイクルごとに算出される。

Ｓ６では、Ｓ１で取得した回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに基づいて図８に例示するようなマップを検索することにより、上記目標火種着火時期AgHidane_trgにおける筒内温度の目標である目標火種着火時期温度Thidane_trg[K]を設定する。

Ｓ７では、Ｓ５で設定した目標火種着火時期AgHidane_trg及びＳ６で設定した目標火種着火時期温度Thidane_trgに基づいて図９に例示するようなマップを検索することにより、ポンプロスの目標である目標ポンプロスPMEP_trg[kPa]を設定する。なお、この図９に示すマップは、目標火種着火時期及び目標火種着火時期温度が実現され、かつポンプロスが最小になるような制約のもとで所定の試験を行うことによって構築されたマップが用いられる。

Ｓ８では、下記式（２）に基づいて目標火種着火時期工程容積Vhidane_trg[cc]を算出する。なお、下記式（２）において、”Offset”は、オフセット長さであり、”Stroke”は、ストローク長さであり、”Boa”は、ボア径であり、”l”は、コンロッド長さであり、”ε”は、理論圧縮比であり、それぞれ固定値である。また、”θ(k)”は、目標火種着火時期AgHidane_trgの単位を[deg.]から[rad.]に変換したものであり、”L(k)”は、上記目標火種着火時期θ(k)を用いて算出したピストン移動量である。

Ｓ９では、下記式（３）で定義される係数α[-]を所定の統計モデルに基づいて算出する。この係数αは、理論的には内部ＥＧＲ率rEGR、圧縮比ε、及び比熱比κを用いて下記式（３）のように定義される係数であり、内部ＥＧＲ率に対して成立する後述の２次方程式（後述の式（８）参照）を構築する際に補助的に導入されるものである。

Ｓ９では、上記式（３）で定義される係数αを、これと相関のあるＳ５で設定した目標火種着火時期AgHidane_trgと、Ｓ６で設定した目標火種着火時期温度Thidane_trgと、Ｓ７で設定した目標ポンプロスPMEP_trgとを入力とした、下記式（４）に示すような、例えば２次の統計モデルによって算出する。下記式（４）において、ａ_００，ａ_１０，ａ_２０，ａ_３０，ａ_１１，ａ_１２，ａ_１３，ａ_２２，ａ_２３，及びａ_３３は、それぞれ定数であり、予め試験を行うことによって同定された値が用いられる。

Ｓ１０では、Ｓ２で算出した内部ＥＧＲ温度推定値Tex(k)及び筒内吸入ガス温度推定値TA(k)と、Ｓ６で設定した目標火種着火時期温度Thidane_trg(k)と、Ｓ９で統計モデルに基づいて算出した係数α(k)とに基づいて、下記式（５）によって目標内部ＥＧＲ率rEGR_trg(k)[-]を設定する。以下、詳細に説明するように、目標内部ＥＧＲ率の定義式となる下記式（５）は、内部ＥＧＲ率rEGRに対して成立する２次方程式（下記式（８）参照）の正の実数解として導出される。

内部ＥＧＲ率に対して成立する２次方程式とその解について説明する。
先ず、筒内ガスの圧縮初期温度を”T1”とし、圧縮比を”ε”とし、比熱比を”κ”とすると、圧縮端温度Tは、下記式（６）で算出される。

また、内部ＥＧＲ率を”rEGR”とし、新たにシリンダに導入される吸気ガスの温度を”TA”とし、内部ＥＧＲガスの温度を”Tex”とすると、上記式（６）における圧縮初期温度T1は、下記式（７−１）で表される。また、式（７−１）で定義される圧縮初期温度T1を上記式（６）に代入すると、内部ＥＧＲ率rEGRについての式（７−２）が導出される。

さらに、上記式（３）で定義される係数αを用いて上記式（７−２）から圧縮比εを消去すると、下記式（８）に示すような内部ＥＧＲ率rEGRに対する２次方程式が導出される。

また、上記式（８）の２次方程式の解のうち、正の実数解は下記式（９）となる。そして、上記式（５）は、下記式（９）の内部ＥＧＲ率rEGRを目標内部ＥＧＲ率rEGR_trgに置き換え、圧縮端温度Tを目標火種着火時期温度Thidane_trgに置き換えて得られたものである。

Ｓ１１では、Ｓ９で算出された係数α、及びＳ１０で設定された目標内部ＥＧＲ率rEGR_trgに基づいて、下記式（１０）に従って目標火種着火時期実効圧縮比εHidane_trg[-]を設定する。なお、下記式（１０）は、係数αの定義式（３）において、内部ＥＧＲ率rEGRを目標内部ＥＧＲ率rEGR_trgに置き換え、圧縮比εを目標火種着火時期実効圧縮比εHidane_trgで置き換えて得られたものである。

Ｓ１２では、Ｓ８で算出した目標火種着火時期工程容積VHidane_trg、及びＳ１１で設定した目標火種着火時期実効圧縮比εHidane_trgに基づいて、下記式（１１）に従って目標最大工程容積Vmax_trg[cc]を設定する。

Ｓ１３では、Ｓ１２で算出した目標最大工程容積Vmax_trgに基づいて、図１０に例示するようなテーブルを検索することにより、この目標最大工程容積Vmax_trgが実現されるように、ひいてはこの目標最大工程容積Vmax_trgを決定するのに用いた目標内部ＥＧＲ率rEGR_trg及び目標火種着火時期実効圧縮比εHidane_trgが実現されるようにＩＮ側ＶＴＣの目標位相角INVTC_trg[deg.]を決定する。

Ｓ１４では、Ｓ１０で設定した目標内部ＥＧＲ率rEGR_trg、及びＳ１３で決定したＩＮ側ＶＴＣの目標位相角INVTC_trgに基づいて、図１１に例示するようなマップを検索することにより、目標内部ＥＧＲ率rEGR_trgt及び目標火種着火時期実効圧縮比εHidane_trgtが実現されるようなＥＸ側ＶＴＣの目標位相角EXVTC_trg[deg.]を決定する。

次に、以上のような火種着火時期温度制御の効果について説明する。
図１２は、上記火種着火時期温度制御のシミュレーションによる結果を示す図である。図１２には、上段から順に、目標火種着火時期温度、係数α、目標内部ＥＧＲ率、及び目標火種着火時期実効圧縮比の変化を示す。また、図１２には、時刻ｔ０からｔ１にかけて目標火種着火時期温度が一定の割合で増加するように要求トルクTRQを変化させた場合を示す。

図１２に示すように、目標火種着火時期温度が上昇すると、実際の火種着火時期温度がこの目標火種着火時期温度に一致するように、係数α、目標内部ＥＧＲ率、及び目標火種着火時期実効圧縮比が変化する。特に本発明では、上述のようにフィードフォワード制御によって燃焼サイクルごとにその時の目標火種着火時期温度に応じて適した目標内部ＥＧＲ率及び目標火種着火時期実効圧縮比を設定する。このため、図１２に示すようにこれら目標内部ＥＧＲ率及び目標火種着火時期実効圧縮比は、目標火種着火時期温度の変化に応じて直ちに変化することが検証された。

以上本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、上記実施形態では、火種ＨＣＣＩ燃焼モードでは、火花プラグを利用して火種用混合気に着火する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。火種用混合気は火花プラグを利用せずとも圧縮によって自着火する場合もあり、本発明はこのような場合にも適用できる。

１…エンジン（内燃機関）
１４ｉ…吸気バルブ
１４ｅ…排気バルブ
１８ｉ…ＩＮ側ＶＴＣ（可変動弁機構）
１８ｅ…ＥＸ側ＶＴＣ（可変動弁機構）
５…ＥＣＵ（目標火種着火時期温度設定手段、目標内部ＥＧＲ率設定手段、係数算出手段、制御手段、内部ＥＧＲ温度取得手段、吸入ガス温度取得手段）
６１…筒内圧センサ
６６…吸気センサ（吸入ガス温度取得手段）
６７…排気温度センサ（内部ＥＧＲ温度取得手段）

Claims (3)

1. 既燃ガスの一部を内部ＥＧＲガスとして気筒内に残留させるとともに、当該気筒内に形成された均質混合気内に火種用の燃料を噴射及び着火し、これを火種として均質混合気を圧縮着火によって燃焼させる火種補助圧縮着火式の内燃機関の制御装置であって、
   内部ＥＧＲ率及び実効圧縮比を変更可能な排気バルブ及び吸気バルブの可変動弁機構と、
   内部ＥＧＲガスの温度である内部ＥＧＲ温度を取得する内部ＥＧＲ温度取得手段と、
   前記気筒内に導入される吸気の温度である吸入ガス温度を取得する吸入ガス温度取得手段と、
   火種用混合気の着火時期における筒内温度の目標である目標火種着火時期温度を設定する目標火種着火時期温度設定手段と、
   前記内部ＥＧＲ温度、前記吸入ガス温度、前記目標火種着火時期温度、及び所定の係数を変数として含む内部ＥＧＲ率に対する２次方程式の解を目標内部ＥＧＲ率として設定する目標内部ＥＧＲ率設定手段と、
   当該目標内部ＥＧＲ率に基づいて前記可変動弁機構を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記着火時期の目標である目標火種着火時期と、前記目標火種着火時期温度と、ポンプロスの目標である目標ポンプロスとを入力として、予め設定された統計モデルによって前記所定の係数を算出する係数算出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記所定の係数及び前記目標内部ＥＧＲ率に基づいて前記着火時期における実効圧縮比の目標である目標火種着火時期実効圧縮比を設定する目標実効圧縮比設定手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記目標内部ＥＧＲ率及び前記目標火種着火時期実効圧縮比が実現されるように前記可変動弁機構の作動量を設定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。