JP2015048790A - エンジン制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体燃料を使用してのエンジン運転時において、高出力化とエミッション改善とを両立させる。【解決手段】エンジン１０には、気体燃料を噴射する第１噴射弁２１と、気体燃料よりも耐ノック性が低い液体燃料を噴射する第２噴射弁２２と、吸気弁２５の開弁期間を可変とし吸気閉弁時期の進角に合わせて吸気開弁時期を進角させる可変動弁機構２８とが設けられている。制御部８０は、エンジン１０の圧縮比増大要求ありと判定された場合に、吸気閉弁時期を吸気下死点に向けて進角させる。また、その進角により吸気弁２５の開弁期間と排気弁２６の開弁期間とのオーバーラップが生じる場合に、エンジン１０の１燃焼サイクル内での燃料の供給を、第１噴射弁２１による気体燃料の噴射と第２噴射弁２２による液体燃料の噴射とにより実施する。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン制御装置に関し、詳しくはエンジン燃焼用の燃料として気体燃料及び液体燃料を供給可能なエンジンに適用されるエンジン制御装置に関する。

従来、例えば圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等の気体燃料を燃焼させて駆動するエンジンが実用化されている。気体燃料は、ガソリンなどの液体燃料と燃料性状が相違する。例えば、ＣＮＧとガソリンとを比較した場合、ＣＮＧはガソリンに比べてエネルギ密度が小さいが、ノッキングしにくいといった特性を有する。このような燃料性状の違いを考慮し、従来、気体燃料と液体燃料とを用いるいわゆるバイフューエルエンジンの燃料噴射制御に関する技術が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１には、エンジン回転速度が設定回転速度未満の相対的に低回転側の運転域で液体燃料を使用する場合には、少なくとも、ノッキングの心配がある高負荷側において気体燃料の有効圧縮比を低下させることにより、圧縮上死点近傍における気筒内温度の上昇を抑えて、ノッキングを抑制するようにしている。一方、出力の確保が難しい気体燃料の使用時には、相対的に高い有効圧縮比とすることによって出力の確保を図るようにしている。

特開２０１１−１２２５２９号公報

ところで、気体燃料と液体燃料とを使用可能なバイフューエルエンジンにおいては、通常は燃料コストが安く、かつエミッションにも優れた気体燃料を優先的に使用して運転することが望ましい。その一方で、吸気閉弁時期の進角に合わせて吸気開弁時期が進角される構成では、気体燃料の使用時に吸気閉弁時期を吸気下死点に向けて進角させることによってエンジンの有効圧縮比を高める場合、有効圧縮比を増大しようとするとバルブオーバーラップ期間が増加する。かかる場合、オーバーラップ期間中に未燃燃料の吹き抜けが増加し、エミッション悪化やエンジン出力低下を招くことが懸念される。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、気体燃料を使用してのエンジン運転時において、高出力化とエミッション改善とを両立させることができるエンジン制御装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。

本発明は、気体燃料を噴射する第１噴射手段（２１）と、前記気体燃料よりも耐ノック性が低い液体燃料を噴射する第２噴射手段（２２）と、吸気弁（２５）の開弁期間を可変とし吸気閉弁時期の進角に合わせて吸気開弁時期を進角させる可変動弁機構（２８）と、を備えるエンジン（１０）に適用されるエンジン制御装置に関する。請求項１に記載の発明は、前記エンジンの運転状態に基づいて、前記エンジンの圧縮比を増大側に変更する圧縮比増大要求があるか否かを判定する要求判定手段と、前記要求判定手段により前記圧縮比増大要求ありと判定された場合に、前記吸気弁の閉弁時期を前記エンジンの吸気下死点に向けて進角させる吸気進角手段と、前記吸気進角手段による吸気閉弁時期の進角により前記吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とのオーバーラップが生じる場合に、前記エンジンの１燃焼サイクル内での燃料の供給を、前記第１噴射手段による前記気体燃料の噴射と前記第２噴射手段による前記液体燃料の噴射とにより実施する噴射制御手段と、を備えることを特徴とする。

ＣＮＧなどの気体燃料は、燃料コストが安くかつエミッションにも優れており、エンジンの燃料として有用である。また、ガソリンやアルコールなどの液体燃料よりもオクタン価が高く、ノッキングが生じにくいため、最適点火時期による高効率燃焼が可能である。その一方で、気体燃料は液体燃料に比べてエネルギ密度が低いため、高負荷運転時では、吸入空気量の減少に起因して、液体燃料の使用時に比べてトルクが低下するといった特性がある。そこで、気体燃料を使用して高負荷運転を行う場合には、吸気閉弁時期をエンジンの吸気下死点に近付け、エンジンの有効圧縮比を高めてトルク向上を図ることが考えられる。

ところが、吸気閉弁時期を進角させて吸気下死点に近付け、これによりエンジンの有効圧縮比を高める場合、吸気閉弁時期の進角に合わせて吸気開弁時期が進角される構成では、有効圧縮比を増大しようとするとバルブオーバーラップ期間が増加する。かかる場合、バルブオーバーラップ期間前又はその期間中に噴射した未燃燃料の吹き抜けが生じ、これによりエミッション悪化やエンジン出力低下を招くことが懸念される。特に、気体燃料は、液体燃料に比べて軽量であるため、吸気圧が高い高負荷域のバルブオーバーラップ期間中において未燃燃料の吹き抜けが生じやすい。また、液体燃料に比べて噴射時間が長く、噴射時期の設定自由度が小さい。これらの点を考慮し、上記構成では、吸気閉弁時期を吸気下死点に向けて進角させる場合に、エンジンの１燃焼サイクル内での燃料の供給を、気体燃料の噴射と液体燃料の噴射とにより実施する構成とした。すなわち、この構成では、バルブオーバーラップが生じるエンジン運転状態において、使用燃料の一部を、気体燃料よりも重くかつ噴射時期の設定自由度が高い液体燃料に置き換える。これにより、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けを抑制することが可能となり、その結果、気体燃料を用いてのエンジン運転時にも、高出力化とエミッション改善との両立を図ることができる。

エンジンの燃料噴射システムの概略を示す構成図。 吸気閉弁時期を吸気下死点に近付けた時に気体燃料を単独で噴射する場合のタイミングチャート。 吸気閉弁時期を吸気下死点に近付けた時に気体燃料と液体燃料とを噴射する場合の具体的態様を示すタイミングチャート。 吸気閉弁時期の進角量と排気中の未燃燃料の量との関係を示す図。 エンジン制御の処理手順を示すフローチャート。 １燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する気体燃料の供給割合を変化させた場合の軸トルクの変化の推移を表す図。 バルブオーバーラップ量と気体燃料の供給割合との関係を示す図。 二燃料の併用による噴射制御の処理手順を示すサブルーチン。 吸気閉弁時期を吸気下死点に近付けた時に気体燃料の噴射時期を遅角側に変更する場合の具体的態様を示すタイミングチャート。 吸気閉弁時期を吸気下死点に近付けた時に気体燃料の噴射率を変更する場合の具体的態様を示すタイミングチャート。 エンジン回転速度に応じて液体燃料の供給割合を可変にする場合の燃料供給割合設定用マップの一例を示す図。 排気閉弁時期の進角によりバルブオーバーラップ期間を短くする場合の具体的態様を示すタイミングチャート。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、気体燃料である圧縮天然ガス（ＣＮＧ）と、液体燃料であるガソリンとをエンジン燃焼用の燃料として使用する、いわゆるバイフューエルタイプの車載多気筒エンジンの燃料噴射システムとして具体化している。本システムの全体概略図を図１に示す。

図１に示すエンジン１０は直列３気筒の火花点火式エンジンよりなり、その吸気ポート及び排気ポートには吸気系統１１、排気系統１２がそれぞれ接続されている。吸気系統１１は、吸気マニホールド１３と吸気管１４とを有している。吸気マニホールド１３は、エンジン１０の吸気ポートに接続される複数（エンジン１０の気筒数分）の分岐管部１３ａと、その上流側であって吸気管１４に接続される集合部１３ｂとを有している。吸気管１４には、空気量調整手段としてのスロットル弁１５が設けられている。このスロットル弁１５は、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１５ａにより開度調節される電子制御式のスロットル弁として構成されている。スロットル弁１５の開度（スロットル開度θｔ）は、スロットルアクチュエータ１５ａに内蔵されたスロットル開度センサ１５ｂにより検出される。

排気系統１２は、排気マニホールド１６と排気管１７とを有している。排気マニホールド１６は、エンジン１０の排気ポートに接続される複数（エンジン１０の気筒数分）の分岐管部１６ａと、その下流側であって排気管１７に接続される集合部１６ｂとを有している。排気管１７には、排気の成分を検出する排気センサと、排気を浄化する触媒１９とが設けられている。排気センサとしては、排気中の酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサ１８が設けられている。

エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートには、機関バルブとしての吸気弁２５及び排気弁２６がそれぞれ設けられている。そして、吸気弁２５の開動作により空気と燃料との混合気が気筒２４内に導入され、排気弁２６の開動作により燃焼後の排気が排気通路に排出される。また、吸気弁２５及び排気弁２６のそれぞれには、各弁２５，２６の開弁期間を可変とする可変動弁機構として吸気側バルブ駆動機構２８及び排気側バルブ駆動機構２９が設けられている。各バルブ駆動機構２８，２９は、エンジン１０のクランク軸に対する吸気側又は排気側の各カム軸の進角量（位相角）を調整する位相変化型である。この吸気側バルブ駆動機構２８によれば、吸気弁２５の開閉タイミングが変更されることにより、その開弁期間が進角側又は遅角側に変更される。また、排気側バルブ駆動機構２９によれば、排気弁２６の開閉タイミングが変更されることにより、その開弁期間が進角側又は遅角側に変更される。なお、可変動弁機構は、吸気弁２５のみに設けられていてもよい。

エンジン１０の各気筒２４には点火プラグ２０が設けられている。点火プラグ２０には、点火コイル等よりなる点火装置２０ａを通じて、所望とする点火時期に高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２０の対向電極間に火花放電が発生し、気筒２４内（燃焼室内）に導入された燃料が着火され燃焼に供される。

また、本システムは、エンジン１０に対して燃料を噴射供給する燃料噴射手段として、気体燃料（本実施形態ではＣＮＧ）を噴射する第１噴射弁２１と、該気体燃料よりも低オクタン価の液体燃料（本実施形態ではガソリン）を噴射する第２噴射弁２２とを有している。これら噴射弁２１，２２のうち、第１噴射弁２１は、吸気マニホールド１３の分岐管部１３ａに燃料を噴射するポート噴射式となっており、第２噴射弁２２は、気筒２４内に燃料を直接噴射する直噴式となっている。

各噴射弁２１，２２は、電磁駆動部が電気的に駆動されることで弁体が閉位置から開位置にリフトされる開閉タイプの制御弁であり、制御部８０から入力されるオン／オフ式の開弁駆動信号によりそれぞれ開弁駆動される。これら各噴射弁２１，２２は、通電により開弁し、通電遮断により閉弁することにより、通電時間に応じた量の燃料を噴射する。なお、本実施形態では、第１噴射弁２１の先端部に噴射管２３が接続されており、第１噴射弁２１から噴出された気体燃料は、噴射管２３を介して吸気マニホールド１３の分岐管部１３ａに噴射されるようになっている。

次に、第１噴射弁２１に対して気体燃料を供給する気体燃料供給部４０と、第２噴射弁２２に対して液体燃料を供給する液体燃料供給部７０とについて説明する。気体燃料供給部４０には、ガスタンク４２と第１噴射弁２１とを接続するガス配管４１が設けられており、ガス配管４１の途中に、第１噴射弁２１に供給される気体燃料の圧力を減圧調整する機能を有するレギュレータ４３が設けられている。レギュレータ４３は、ガスタンク４２内に貯蔵された高圧状態（例えば最大２０ＭＰａ）の気体燃料が、第１噴射弁２１の噴射圧である所定の設定圧（例えば０．２〜１．０ＭＰａの範囲内の一定圧）になるように減圧調整するものである。減圧調整後の気体燃料は、ガス配管４１を通って第１噴射弁２１に供給される。

ガス配管４１には更に、ガスタンク４２の燃料出口の付近に配置されたタンク主止弁４４と、タンク主止弁４４よりも下流側であってレギュレータ４３の燃料入口の付近に配置された遮断弁４５とが設けられている。これら各弁４４，４５によって、ガス配管４１における気体燃料の流通が許容及び遮断される。タンク主止弁４４及び遮断弁４５はいずれも電磁式の開閉弁であり、非通電時において気体燃料の流通が遮断され、通電時において気体燃料の流通が許容される常閉式である。また、ガス配管４１において、レギュレータ４３の上流側及び下流側には、燃料圧力を検出する圧力センサ４６ａ，４６ｂ、燃料温度を検出する温度センサ４７ａ，４７ｂがそれぞれ設けられている。

一方、液体燃料供給部７０では、燃料配管７１を介して燃料タンク７２と第２噴射弁２２とが接続されている。燃料配管７１には、燃料タンク７２内の液体燃料を第２噴射弁２２に給送する燃料ポンプ７３が設けられている。なお、図示は省略するが、本システムには過給機が設けられており、吸気が過給されるようになっている。

制御部８０は、ＣＰＵ８１と、ＲＯＭ８２と、ＲＡＭ８３と、バックアップＲＡＭ８４と、インターフェース８５と、双方向バス８６とを備えている。ＣＰＵ８１、ＲＯＭ８２、ＲＡＭ８３、バックアップＲＡＭ８４及びインターフェース８５は、双方向バス８６によって互いに接続されている。

ＣＰＵ８１は、本システムにおける各部の動作を制御するためのルーチン（プログラム）を実行する。ＲＯＭ８２には、ＣＰＵ８１が実行するルーチン、及びこのルーチン実行の際に参照されるマップ類（マップの他、テーブルや関係式等を含む）、パラメータ等の各種データが予め格納されている。ＲＡＭ８３は、ＣＰＵ８１がルーチンを実行する際に、必要に応じてデータを一時的に格納する。バックアップＲＡＭ８４は、電源が投入された状態でＣＰＵ８１の制御下でデータを適宜格納するとともに、この格納されたデータを電源遮断後も保持する。

インターフェース８５は、上述したスロットル開度センサ１５ｂ、空燃比センサ１８、圧力センサ４６ａ，４６ｂ、温度センサ４７ａ，４７ｂや、本システムに設けられたその他のセンサ類（クランク角センサ、カム角センサ、エアフロメータ、吸気管圧力センサ、冷却水温センサ、車速センサ、アクセルセンサ等）と電気的に接続されており、これらのセンサからの出力（検出信号）をＣＰＵ８１に伝達する。また、インターフェース８５は、スロットルアクチュエータ１５ａ、点火装置２０ａ、各噴射弁２１，２２等の駆動部と電気的に接続されており、ＣＰＵ８１から送出された駆動信号を駆動部に向けて出力することによりこれら駆動部を駆動させる。

制御部８０は、タンク内の燃料残量や、図示しない燃料選択スイッチからの入力信号等に応じて、エンジン１０の燃焼に使用する燃料を選択的に切り替えている。具体的には、ガスタンク４２内の気体燃料の残存量が所定値を下回った場合又は燃料選択スイッチにより液体燃料の使用が選択されている場合には、基本的には第２噴射弁２２による液体燃料の噴射によりエンジン１０の燃焼を実施する。また、燃料タンク７２内の液体燃料の残存量が所定値を下回った場合又は燃料選択スイッチにより気体燃料の使用が選択されている場合には、基本的には第１噴射弁２１による気体燃料の噴射によりエンジン１０の燃焼を実施する。

ＣＮＧのような高オクタン価の気体燃料は、燃料コストが安くかつエミッションにも優れている。また、例えばガソリンやアルコール等といった、ＣＮＧよりも低オクタン価の液体燃料に比べてノッキングが生じにくい。このため、気体燃料を使用してエンジン運転を行う場合には、最適点火時期による高効率燃焼が可能である。したがって、基本的には、気体燃料１００％で運転することが望ましい。その一方で、気体燃料は液体燃料に比べてエネルギ密度が低く、噴射された燃料が吸気ポート中に占める体積が大きい。そのため、気体燃料を用いてのエンジン運転時（特に高負荷運転時）には吸入空気量が減少し、この吸入空気量の減少に起因して、液体燃料の使用時に比べてトルクが低下するといった特性がある。このような特性に鑑み、気体燃料を使用して高負荷運転を行う場合には、吸気側バルブ駆動機構２８によって吸気弁２５の閉弁時期（吸気閉弁時期）をエンジン１０の吸気下死点に近付け、エンジン１０の有効圧縮比（実圧縮比）を高めることが考えられる（図２参照）。

なお、第１噴射弁２１による気体燃料の噴射制御では、予め設定した噴射終了時期を基準にして、都度の燃料噴射量に応じた噴射開始時期が算出される。また、その算出された噴射開始時期で第１噴射弁２１から気体燃料が噴射されるよう第１噴射弁２１の通電制御が実施される。なお、図２では、吸気上死点又はその近傍に第１噴射弁２１の噴射終了時期が設定されている場合を想定している。燃料が気体状態の場合、燃料と空気とが混ざりにくいため、できるだけ早い時期に噴射を終了させることにより、ミキシング向上を図ることが可能となる。

ここで、吸気閉弁時期が吸気下死点よりも遅角側にあるときに、吸気閉弁時期を進角させて吸気下死点に近付け、これによりエンジン１０の有効圧縮比を高める場合、位相変化型の可変動弁機構を備える構成では、吸気閉弁時期の進角に合わせて吸気開弁時期（吸気弁２５の開弁時期）が進角される。そのため、有効圧縮比を増大しようとすると、吸気弁２５の開弁期間と排気弁２６の開弁期間とがオーバーラップする期間ＴＶＬが増加する。かかる場合、バルブオーバーラップ期間の前又はその期間中に噴射した未燃燃料の吹き抜けが増加し、エミッション悪化やエンジン出力低下を招くことが懸念される。つまり、高負荷運転時において気体燃料を使用する場合、気体燃料の噴射に伴う吸入空気量の減少によってエンジン出力が低下し、この出力低下を補償するべくエンジン１０の有効圧縮比を増大させようとすると、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けによってエミッション悪化やエンジン出力低下が生じてしまう。特に、気体燃料は、液体燃料に比べて慣性が小さい（軽い）ため、吸気圧が高い高負荷域のバルブオーバーラップ期間中に燃料の吹き抜けが発生しやすい。また、燃料の吹き抜けを回避するためには、圧縮上死点以降か又はバルブオーバーラップ期間の終了後に燃料を噴射することが有効であるが、気体燃料の場合、噴射する燃料体積が大きいため噴射時間が長く、噴射タイミングの設定自由度が小さい。

本発明者らは、上記の問題を解決するべく鋭意検討し、エンジン１０の１燃焼サイクル内で噴射する気体燃料のうちの一部を液体燃料に置き換えることを試みた。また、この試みに従って、気体燃料を用いた高負荷運転時において、吸気閉弁時期を吸気下死点に近付けてエンジン１０の有効圧縮比を増大させるとともに、エンジン１０の１燃焼サイクル内での燃料の供給を、第１噴射弁２１による気体燃料の噴射と、第２噴射弁２２による液体燃料の噴射とにより実施する構成（図３参照）について検討した。すると、こうした構成によれば、気体燃料を用いてのエンジン高負荷運転時にも、エンジン１０の高出力化とエミッション改善との両立を図ることができることが分かった。

図４は、吸気閉弁時期を吸気下死点に近付ける場合において、二燃料の使用によって排気中の未燃燃料の低減効果を得ることができたことの確認結果を示す図である。図４の横軸は、吸気閉弁時期を吸気下死点に近付けたときの吸気閉弁時期の進角量［deg.CA］を示し、縦軸は、吸気閉弁時期の進角に伴う排気中ＨＣの変化量を示す。この図４では、気体燃料としてＣＮＧ、液体燃料としてガソリンを用い、ＷＯＴの条件下で実験した結果を示している。このとき、図３に示したように、気体燃料については、吸気上死点付近を噴射終了時期として噴射を実施し、液体燃料の噴射については、バルブオーバーラップ期間の終了後であって吸気開弁期間中に噴射を実施した。また、図中、丸印は気体燃料を単独で使用した場合の結果であり、四角印は、１燃焼サイクル内で使用する燃料を気体燃料及び液体燃料の二燃料とした場合の結果である。この図４によれば、気体燃料を単独で使用する場合よりも、気体燃料と液体燃料とを併用した場合の方が、排気中の未燃ＨＣを少なくすることができることが分かる。

次に、気体燃料を用いてのエンジン制御の処理手順について図５のフローチャートを用いて説明する。この処理は、気体燃料を用いてエンジン運転を行う場合（例えば、燃料選択スイッチにより気体燃料の使用が選択されている場合や、ＣＰＵ８１によって気体燃料の使用が選択されている場合など）に、制御部８０のＣＰＵ８１により所定周期毎に実行される。

図５において、ステップＳ１０１では、エンジン運転状態に関するパラメータＸを読み込む。ここで、パラメータＸは、アクセル開度θａ、スロットル開度θｔ、吸入空気量Ｇａ、吸気管圧力Ｐｉｍ、最大筒内圧Ｐｍａｘ、エンジン回転速度Ｎｅ及び軸トルクＴｑの少なくとも１つを含む。これらのうち、アクセル開度θａはアクセルセンサにより検出され、吸入空気量Ｇａはエアフロメータにより検出される。また、吸気管圧力Ｐｉｍは吸気管圧力センサにより検出され、エンジン回転速度Ｎｅはクランク角センサにより検出される。最大筒内圧Ｐｍａｘは、気筒内圧力を検出するセンサを取り付けて直接検出してもよいし、あるいは演算により推定してもよい。軸トルクＴｑは、例えばトルクセンサを取り付けて直接検出してもよいし、あるいは演算により推定してもよい。

続くステップＳ１０２では、読み込んだパラメータＸに基づいて、エンジン１０の圧縮比を増大側に変更する圧縮比増大要求があるか否かを判定する（要求判定手段）。ここでは、パラメータＸと判定値とを比較し、エンジン１０を所定の高負荷状態又は所定の高回転状態にする要求があるか否かを判定する。具体的には、パラメータＸが判定値を上回る場合に圧縮比増大要求ありと判定し、パラメータＸが判定値以下の場合に圧縮比増大要求なしと判定する。なお、パラメータＸと判定値との比較に基づく判定方法に代えて、パラメータＸの時間微分値と判定値との比較、又はパラメータＸの単位角度あたりの変化量と判定値との比較によって圧縮比増大要求があるか否かを判定する構成としてもよい。

ステップＳ１０２で圧縮比増大要求なしと判定されると、ステップＳ１０６へ進み、気体燃料の単独使用による燃料噴射制御を実施する。一方、圧縮比増大要求ありと判定されると、ステップＳ１０３へ進み、パラメータＸに応じた吸気閉弁時期の進角を選択するか否かを判定する。このとき、吸気閉弁時期の進角を選択しない場合には、ステップＳ１０６へ進む。ここで、「吸気閉弁時期の進角を選択しない場合」としては、第１噴射弁２１による気体燃料の噴射と第２噴射弁２２による液体燃料の噴射とを実施できない場合を含み、例えば燃料タンク７２内の液体燃料の残存量が所定値を下回った場合、及び液体燃料供給部７０のいずれかに異常が生じている場合の少なくともいずれかを含む。この場合には、圧縮比増大要求ありの場合でも、吸気閉弁時期ＩＶＣの吸気下死点に向けての進角を制限する（進角を禁止する）。

ステップＳ１０３で吸気閉弁時期の進角を選択する場合には、ステップＳ１０４へ進み、吸気弁２５の開弁期間を進角させる旨の駆動指令を吸気側バルブ駆動機構２８に出力する。これにより、吸気側バルブ駆動機構２８によって吸気閉弁時期が進角され、吸気閉弁時期が吸気下死点に近付く。また、ステップＳ１０５では、気体燃料と液体燃料との二燃料の併用による燃料噴射制御（図８のサブルーチン）を実施する。

ここで、本発明者らが実験を行ったところ、吸気閉弁時期を吸気下死点に向けて進角させた場合の二燃料の併用による燃料噴射制御において、燃料の供給割合に応じてトルクが変化することを確認した。

図６は、１燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する気体燃料の供給割合（質量比）［％］を変化させた場合の軸トルク［Ｎｍ］の変化の推移を表す実験結果である。この図６では、気体燃料としてＣＮＧ、液体燃料としてガソリンを用い、ＷＯＴの条件下で実験した結果を示している。なお、図６では、気体燃料については吸気上死点付近を噴射終了時期として噴射し、液体燃料についてはバルブオーバーラップ期間の終了後であって吸気開弁中に噴射した（図３参照）。図６によれば、気体燃料の供給割合を１００質量％から減少させるにつれて軸トルクが徐々に大きくなり、気体燃料の供給割合を５０質量％前後としたところで軸トルクが最大となる。ただし、気体燃料の供給割合を更に減少させると、今度は気体燃料の供給割合の減少に伴い軸トルクが小さくなる傾向を示す。

この図６の実験結果に鑑み、本実施形態では、エンジン有効圧縮比の増大に伴い二燃料を併用する場合に、エンジン１０の１燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する気体燃料の供給割合を、気体燃料の供給割合の増加に伴い軸トルクが増加傾向を示す所定範囲内（本実施形態では４０質量％以上の範囲内）に設定することとしている。また、この実験結果に基づき、本実施形態では、圧縮比増大のための吸気閉弁時期の進角後におけるバルブオーバーラップ量に基づいて、エンジン１０の１燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する気体燃料の供給割合αｇを可変に制御しており、図７に示すように、バルブオーバーラップ量が大きいほど、気体燃料の供給割合αｇを低くする（液体燃料の供給割合を高くする）ようにしている。具体的には、バルブオーバーラップ量が所定量以下では気体燃料１００％とし、バルブオーバーラップ量が所定量よりも大きい場合に、気体燃料及び液体燃料の二燃料を噴射するようにしている。また、気体燃料の供給割合は、下限値ＲＣ２（本実施形態では４０質量％）と上限値をＲＣ１（本実施形態では１００質量％）との間に設定されており、バルブオーバーラップ量が大きくなるにつれて、気体燃料の供給割合αｇを下限値ＲＣ２に収束させるようにしている。

なお、圧縮比増大の要求が高いほど高出力を実現する必要があるが、バルブオーバーラップ量が大きくなるほど未燃燃料の吹き抜けが多くなる。一方、図６に示すように、気体燃料の供給割合が所定範囲内（４０〜１００質量％の範囲内）では、気体燃料の供給割合を低くするほど、吸入空気量が増加することで軸トルクが大きくなる。したがって、図７のように、バルブオーバーラップ量が大きいほど、つまりエンジン１０の有効圧縮比が高いほど気体燃料の供給割合αｇを低くすることにより、圧縮比増大の要求に見合うエンジン出力を確保することが可能となる。また、気体燃料の噴射時間が短縮されるため、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けを抑制することが可能となる。

次に、気体燃料と液体燃料との二燃料の併用による燃料噴射制御について、図８のフローチャートを用いて説明する。図８において、ステップＳ２０１では、エンジン運転状態に基づいて、圧縮比増大後のバルブオーバーラップ量ＶＯＬを算出する。ここでは、エンジン回転速度が高いほど又はエンジン負荷が高いほど、エンジン有効圧縮比が増大側に設定され、これによりバルブオーバーラップ量ＶＯＬが大きい値に設定される。続くステップＳ２０２では、算出したバルブオーバーラップ量ＶＯＬに基づいて、１燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する気体燃料の供給割合αｇを算出する。本実施形態では、図７のマップがＲＯＭ８２に予め格納されており、同マップを用いて、バルブオーバーラップ量ＶＯＬに対応する供給割合αｇを算出する。

ステップＳ２０３では、算出した気体燃料の供給割合αｇに基づいて、第１噴射弁２１及び第２噴射弁２２の噴射時間をそれぞれ算出するとともに、その算出した噴射時間に基づいて、第１噴射弁２１及び第２噴射弁２２の噴射開始時期及び噴射終了時期をそれぞれ算出する。なお、第２噴射弁２２による液体燃料の噴射制御では、予め定められた噴射開始時期を基準にして、都度の燃料噴射量に応じた噴射終了時期が算出される。このとき、本実施形態では、液体燃料の噴射開始時期が、気体燃料の噴射終了時期よりも遅角側であって、かつバルブオーバーラップ期間の終了後に設定されるようになっている。したがって、図３に示すように、１燃焼サイクルで見ると、まず第１噴射弁２１による気体燃料の噴射が実施され、気体燃料の噴射終了後であってバルブオーバーラップ期間の終了後に、続いて第２噴射弁２２による液体燃料の噴射が実施されるようになっている。

ステップＳ２０４では、第１噴射弁２１の噴射開始時期となったタイミングで気体燃料の噴射指令を出力する。また、ステップＳ２０５では、第２噴射弁２２の噴射開始時期となったタイミングで液体燃料の噴射指令を出力する。

以上詳述した本実施形態によれば、次の優れた効果が得られる。

吸気閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点に向けて進角させてエンジン圧縮比を高める場合に、エンジン１０の１燃焼サイクル内での燃料の供給を、気体燃料の噴射と液体燃料の噴射とにより実施する構成とした。吸気閉弁時期ＩＶＣを進角させて吸気下死点に近付け、これによりエンジン１０の有効圧縮比を高める場合、吸気閉弁時期ＩＶＣの進角に合わせて吸気開弁時期ＩＶＯが進角される構成では、有効圧縮比を増大しようとするとバルブオーバーラップ期間ＴＶＬが増加する。かかる場合、未燃燃料の吹き抜けが増加し、エミッション悪化やエンジン出力低下を招くことが懸念される。この点を考慮し、上記構成とすることにより、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けを低減することができ、その結果、エンジンの高出力化とエミッション改善との両立を図ることができる。

本発明者らの実験結果によると、気体燃料の供給割合αｇを所定範囲（４０〜１００質量％の範囲内）とした時には、吸気閉弁時期の進角後におけるバルブオーバーラップ量が大きいほど軸トルクＴｑが大きくなるといった特性があることが判明した。そして、この実験結果に鑑み、バルブオーバーラップ量に基づいて気体燃料の供給割合αｇを可変とする構成とした。エンジン１０の圧縮比を高くするほどバルブオーバーラップ量が大きくなり、燃料の吹き抜け増加による出力低下が生じやすくなるが、こうした構成とすることにより、燃料の吹き抜けが生じやすい状況であるほど燃料の噴射時間が短縮されるため、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けを好適に抑制することが可能となる。その結果、圧縮比の増大要求に見合うエンジン出力を確保することができる。また、液体燃料の使用を最小限とすることができ、燃料コストやエミッションの点でも好適である。

液体燃料については、吸気弁２５と排気弁２６とのオーバーラップ期間が終了した後の吸気開弁期間中に噴射する構成とした。こうした構成によれば、バルブオーバーラップ期間中での燃料の噴射量を低減させることができ、未燃燃料の吹き抜けを極力回避するようにすることができる。また、液体燃料の噴射形式を直噴式としたため、バルブオーバーラップ期間終了後に噴射時期を設定しても燃料と空気とが十分に混合され、エミッション悪化を抑制することが可能である。

気体燃料を用いてのエンジン運転時において、エンジン１０の圧縮比増大要求があり、その要求に従って吸気閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点に向けて進角させた場合、図７では、進角後のバルブオーバーラップ量が所定量よりも大きい場合に、気体燃料及び液体燃料の二燃料の噴射を実施し、そうでない場合には気体燃料の単独噴射を実施する構成とした。こうした構成とすることにより、燃料の吹き抜けに伴うエミッション悪化等の不都合を抑えつつ、できるだけ気体燃料の単独使用による運転を実施することができる。

圧縮比増大要求ありと判定された場合でも、第１噴射弁２１による気体燃料の噴射と第２噴射弁２２による液体燃料の噴射とを実施できない場合には、吸気閉弁時期の進角を制限する構成とした。この構成によれば、バルブオーバーラップに対応した噴射制御が実施できない場合には、動弁系の制御で対処してバルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けを極力回避するようにすることができる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・気体燃料を用いての高負荷運転時に吸気閉弁時期を吸気下死点に向けて進角させてエンジン１０の圧縮比を増大させる場合の噴射終了時期を、吸気閉弁時期の進角を実施しない場合の噴射終了時期に対して遅角側に変更する構成としてもよい。こうした構成とすることにより、バルブオーバーラップ期間中に噴射される燃料量を極力少なくすることができる。このとき、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けの抑制効果をより高くできる点で、バルブオーバーラップ期間の終了後又は吸気上死点以降に第１噴射弁２１による気体燃料の噴射を実施することが望ましい。

図９に、吸気閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点に向けて進角させた場合に、噴射時期を遅角させる構成の具体的態様を示す。なお、図中、（ｂ）及び（ｃ）の破線は、吸気閉弁時期を進角側に変更しない場合を示し、実線は、吸気閉弁時期の進角を実施する場合を示す。図９では、吸気閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点に向けて進角させて圧縮比を増大させる際、気体燃料の噴射終了時期を、予め定めた基準終了時期（図９では吸気上死点又はその近傍）よりも遅角側に変更する。その際、気体燃料の噴射開始時期については、バルブオーバーラップ期間の終了後又は吸気上死点以降になるようにすることが望ましい。

・第１噴射弁２１による気体燃料の噴射率を調整する噴射率調整手段を設け、気体燃料を用いての高負荷運転時に圧縮比を増大させる場合に、同制御を実施しない場合に比べて、噴射率調整手段により噴射率を増大側に変更して気体燃料の噴射を実施する構成としてもよい。こうした構成とすることにより、気体燃料の噴射時間を短くでき、バルブオーバーラップ期間と燃料噴射期間とが重複する期間を少なくすることが可能となる。また、当該重複する期間を短くできることで、未燃燃料の吹き抜けを抑制することができる。本システムでは、噴射率調整手段として電磁駆動式の圧力調整機構（レギュレータ４３）を備え、レギュレータ４３の電磁駆動部に対する通電制御により、ガスタンク４２内に貯蔵された高圧状態（例えば最大２０ＭＰａ）の気体燃料を減圧して第１噴射弁２１の噴射圧を可変調整するものとなっている。

図１０に、吸気閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点に向けて進角させた場合の気体燃料の噴射態様についての具体的態様を示す。なお、図中、（ｃ）の破線は、通常走行時（圧縮比を増大側に変更しない場合）の噴射率である第１噴射率β１で気体燃料を噴射する場合の噴射時期を示し、実線は、第１噴射率β１よりも高い第２噴射率β２で気体燃料を噴射する場合の噴射時期を示す。図１０では、吸気閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点に向けて進角させて圧縮比を増大させる際、気体燃料の噴射終了時期を、予め定めた基準終了時期（例えば、吸気上死点又はその近傍）よりも遅角側に変更するとともに、第２噴射率β２で気体燃料を噴射する。また、液体燃料については、吸気開弁期間中のバルブオーバーラップ期間の終了後に噴射する。これにより、バルブオーバーラップ期間での燃料の噴射を回避することが可能となる。

・上記実施形態では、気体燃料の噴射終了時期よりも遅角側に液体燃料の噴射開始時期を設定し、気体燃料の噴射期間と液体燃料の噴射期間とが重複しない構成としたが、気体燃料の噴射期間と液体燃料の噴射期間とが重複していてもよい。具体的には、液体燃料の噴射開始時期が気体燃料の噴射終了時期よりも進角側であってもよいし、気体燃料の噴射終了時期と液体燃料の噴射終了時期とが同じであってもよいし、液体燃料の噴射終了時期が気体燃料の噴射終了時期よりも進角側であってもよい。なお、燃料と空気とのミキシング向上や燃料の輸送遅れを考慮して、気体燃料の噴射開始時期を液体燃料の噴射開始時期よりも進角側とするとよい。

・上記実施形態では、バルブオーバーラップ量に応じて気体燃料の供給割合αｇを可変にする構成としたが、バルブオーバーラップ量に関わらず気体燃料の供給割合αｇを一定としてもよい。この場合にも、気体燃料の供給割合αｇを４０〜１００質量％の範囲内とすることが望ましい。

・吸気閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点に近付けて圧縮比を増大した場合に気体燃料及び液体燃料を噴射するシステムにおいて、エンジン回転速度に基づいて、燃料の供給割合を可変にする構成としてもよい。具体的には、エンジン回転速度が高いほど、エンジンの１燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する液体燃料の供給割合を高くする。一般に、低回転高負荷域ではノッキングが発生しやすく、高回転になるにしたがってノッキングが発生しにくくなる。一方、高回転になるほど、噴射に要するクランク期間は長くなり、燃料の吹き抜けを回避しにくくなる。これらのことを考慮し、本実施形態では、ノッキングが発生しやすく、かつ燃料の吹き抜けを回避しやすい低回転域では、気体燃料の供給割合を高めに設定し、ノッキングが発生しにくく、かつ燃料の吹き抜けを回避しにくい高回転域では、液体燃料の供給割合を高めに設定するようにしている。こうした構成によれば、エンジン運転領域の全域にわたり望ましい運転条件を実現可能となる。具体的には、図７のマップに代えて、例えば図１１のマップをＲＯＭに格納しておく。そして、同マップを用い、吸気閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点に近付けた時のバルブオーバーラップ量とエンジン回転速度とに基づいて、気体燃料の供給割合αｇ及び液体燃料の供給割合を算出する構成とする。

・図７では、進角後のバルブオーバーラップ量が所定量よりも大きい場合に、気体燃料及び液体燃料の二燃料の噴射を実施し、そうでない場合には気体燃料の単独噴射を実施する構成としたが、バルブオーバーラップ量が所定量以下の場合にも二燃料を噴射する構成としてもよい。

・排気側バルブ駆動機構２９を備えるシステムでは、吸気閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点に向けて進角させる場合に、排気側バルブ駆動機構２９により排気弁２６の閉弁時期ＥＶＣを進角側に変更するとともに、気体燃料及び液体燃料の二燃料を噴射する構成としてもよい。排気閉弁時期ＥＶＣの進角によりバルブオーバーラップ量を少なくすることができ、未燃燃料の吹き抜けを低減させることが可能となる。

・上記実施形態では、吸気側バルブ駆動機構２８につき、吸気弁２５の開閉タイミングの位相角を可変制御することにより吸気閉弁時期を調整する構成としたが、吸気弁２５の作用角（リフト量）を可変制御することにより吸気閉弁時期を調整する構成としてもよい。また、排気弁２６の作用角（リフト量）を可変制御する排気側バルブ駆動機構２９を備えるシステムにおいて、吸気閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点に向けて進角させる場合に、排気弁２６のリフト量を変更することによってバルブオーバーラップ量を少なくする構成としてもよい。図１２に、排気弁２６のリフト量の変更によってバルブオーバーラップ量を少なくする場合のタイミングチャートを示す。図中、（ａ）の破線は、リフト量変更前の開弁期間を示し、実線は、リフト量変更後の開弁期間を示す。本実施形態では、図１２に示すように、吸気閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点に向けて進角させた場合に、排気弁２６のリフト量の変更によって排気閉弁時期を進角させる。これにより、バルブオーバーラップ量が少なくなり、未燃燃料の吹き抜けを少なくすることが可能となる。

・上記実施形態では、第２噴射弁２２を直噴式としたが、ポート噴射式としてもよい。

・上記実施形態では、気体燃料をＣＮＧとしたが、標準状態で気体のその他のガス燃料を用いることもでき、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、水素、ジメチルエーテルなどを主成分とする燃料を用いる構成としてもよい。また、液体燃料としては、気体燃料よりも耐ノック性が低い燃料であればよく、ガソリンの他、例えばアルコールなどが挙げられる。

１０…エンジン、２１…第１噴射弁（第１噴射手段）、２２…第２噴射弁（第２噴射手段）、２５…吸気弁、２６…排気弁、２８…吸気側バルブ駆動機構（可変動弁機構）、２９…排気側バルブ駆動機構、４３…レギュレータ（噴射率調整手段）、８０…制御部（要求判定手段、吸気進角手段、噴射制御手段）。

Claims (10)

1. 気体燃料を噴射する第１噴射手段（２１）と、前記気体燃料よりも耐ノック性が低い液体燃料を噴射する第２噴射手段（２２）と、吸気弁（２５）の開弁期間を可変とし吸気閉弁時期の進角に合わせて吸気開弁時期を進角させる可変動弁機構（２８）と、を備えるエンジン（１０）に適用され、
   前記エンジンの運転状態に基づいて、前記エンジンの圧縮比を増大側に変更する圧縮比増大要求があるか否かを判定する要求判定手段と、
   前記要求判定手段により前記圧縮比増大要求ありと判定された場合に、前記吸気弁の閉弁時期を前記エンジンの吸気下死点に向けて進角させる吸気進角手段と、
   前記吸気進角手段による吸気閉弁時期の進角により前記吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とのオーバーラップが生じる場合に、前記エンジンの１燃焼サイクル内での燃料の供給を、前記第１噴射手段による前記気体燃料の噴射と前記第２噴射手段による前記液体燃料の噴射とにより実施する噴射制御手段と、
   を備えることを特徴とするエンジン制御装置。
2. 前記噴射制御手段は、前記吸気進角手段による吸気閉弁時期の進角後における前記吸気弁の開弁期間と前記排気弁の開弁期間とのオーバーラップ量に基づいて、前記エンジンの１燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する前記気体燃料の供給割合を可変に制御する請求項１に記載のエンジン制御装置。
3. 前記噴射制御手段は、前記オーバーラップ量が大きいほど、前記エンジンの１燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する前記気体燃料の供給割合を低くする請求項２に記載のエンジン制御装置。
4. 前記噴射制御手段は、前記オーバーラップする期間の終了後であって前記吸気弁の開弁期間中に前記第２噴射手段による前記液体燃料の噴射を実施する請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。
5. 前記第１噴射手段による前記気体燃料の噴射率を調整する噴射率調整手段（４３）を備え、
   前記噴射制御手段は、前記吸気進角手段による吸気閉弁時期の進角により前記オーバーラップが生じる場合に、前記噴射率調整手段により前記噴射率を増大側に変更して前記第１噴射手段による前記気体燃料の噴射を実施する請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。
6. 前記噴射制御手段は、前記オーバーラップする期間の終了後又は前記エンジンの吸気上死点以降であって、前記吸気弁の開弁期間中に前記第１噴射手段による前記気体燃料の噴射を実施する請求項１〜５のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。
7. 前記噴射制御手段は、エンジン回転速度に基づいて、前記エンジンの１燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する前記気体燃料の供給割合を可変に制御する請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。
8. 前記要求判定手段により前記圧縮比増大要求ありと判定された場合でも、前記噴射制御手段による前記気体燃料の噴射と前記液体燃料の噴射とを実施できない場合には、前記吸気進角手段による吸気閉弁時期の進角を制限する請求項１〜７のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。
9. 前記第１噴射手段による前記気体燃料の供給割合を４０〜１００質量％の範囲内とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。
10. 前記第１噴射手段が前記エンジンの吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射式であり、
    前記第２噴射手段が前記エンジンの気筒内に燃料を直接噴射する直噴式である請求項１〜９のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。

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