JP2016048035A - 内燃機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁と、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁とを備える内燃機関を制御するにあたって、エミッション性能の低下を抑制しつつ、リーン燃焼による運転を広い運転域に拡大することを可能にする内燃機関の制御方法を提供する。
【解決手段】内燃機関に対する要求トルクが第１トルク域にある場合は、ポート非同期噴射によってリーン燃焼を実現させる。要求トルクが第１トルク域から第１トルク域よりも高い第２トルク域まで増大した場合は、ポート非同期噴射からポート同期噴射に切り替え、ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させる。そして、要求トルクが第２トルク域から第２トルク域よりも高い第３トルク域まで増大した場合は、ポート同期噴射を停止し、筒内噴射によってリーン燃焼を実現させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関、詳しくは、ポート噴射弁と筒内噴射弁とを備える内燃機関の制御方法に関する。

吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁と、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁とを備えた内燃機関が知られている。この内燃機関は、典型的には火花点火式内燃機関であって、過給機付きのもの、自然吸気型のもの、ＥＧＲ装置付きのもの等、種々の態様が含まれる。

下記の特許文献１には、ポート噴射弁と筒内噴射弁とを備える過給機付き内燃機関の制御方法が開示されている。特許文献１に開示された制御方法によれば、内燃機関のトルクと回転速度とで定められる運転域に応じて、ポート噴射弁によるポート噴射のみを用いた運転と、筒内噴射弁による筒内噴射のみを用いた運転と、ポート噴射と筒内噴射とを併用した運転とを使い分けることによって、全ての運転域で理論空燃比による燃焼（以下、ストイキ燃焼）による運転が行われる。全域でストイキ燃焼による運転を行うことは、エミッション性能を向上させるための一つの方法である。

特開２０１０−０５３７１７号公報 特開平０５−１７１９９０号公報

一方、燃費性能の観点からは、理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比による燃焼（以下、リーン燃焼）による運転が好ましい。エミッション性能については排気ガス処理装置による担保が可能なことから、今日では、燃費性能をより向上させるべく、リーン燃焼による運転域を拡大することが検討されている。

リーン燃焼には、主としてポート噴射によって実現することができるリーン燃焼と、筒内噴射によって実現することができるリーン燃焼とが含まれる。エミッション性能の観点からは、基本的には、燃料と空気とをより均質に混合させて斑のない燃焼を実現可能なポート噴射によるリーン燃焼が好ましい。

しかし、運転域によっては、ポート噴射を用いたリーン燃焼よりも寧ろ、筒内噴射を用いたリーン燃焼のほうが好ましい場合がある。その具体的な例は高トルク域である。高トルク域では吸気効率を高めるために吸気バルブのバルブタイミングが進角され、それに伴って吸気バルブと排気バルブとの間のバルブオーバラップ量が拡大する。高トルク域でのバルブオーバラップは吸気ポートから排気ポートへの空気の吹き抜け（いわゆるスカベンジ）を発生させる場合がある。特に、過給機付き内燃機関では、過給によって吸気圧が高められることによって、スカベンジの発生は顕著になる。スカベンジが発生したときには、吸気ポート内の燃料の一部は空気とともに排気ポートへと流れることになる。未燃燃料の排気ポートへの流出は、燃費性能とエミッション性能の両方を悪化させる。しかし、筒内噴射を用いたリーン燃焼による運転を行うのであれば、燃料は筒内噴射弁によって燃焼室内に直接噴射されるため、スカベンジによる未燃燃料の排気ポートへの流出を防ぐことができる。

以上のように、リーン燃焼による運転を広い運転域に拡大するのであれば、基本的にはポート噴射を用いたリーン燃焼による運転を行い、高トルク域では筒内噴射を用いたリーン燃焼による運転に切り替えることが望ましい。ただし、この切り替え時のエミッション性能に関して、次に述べる留意すべき事項がある。

ポート噴射を行っているときには、吸気バルブの傘部の裏面や吸気ポートの壁面に液状の燃料が付着する。吸気ポートの壁面等に付着した液状の燃料はポートウェットと呼ばれる。ポート噴射を行う内燃機関では、一般的に、ポート噴射弁から噴射されて吸気ポート内で直接気化した燃料と、ポートウェットから気化した燃料の両方を考慮して空燃比制御が行われる（例えば公知の燃料モデルを用いて燃料噴射量の計算が行われる）。

一方、筒内噴射を行っているときは、燃料は直接燃焼室内に噴射されるためにポートウェットは付着しない。ところが、ポート噴射から筒内噴射への切り替えを行った場合には、ポート噴射の実行時に付着したポートウェットから気体或いは霧状の燃料が発生し、これが筒内噴射への切り替え後も燃焼室内に流れ込む。リーン運転時の設定空燃比は、ＮＯｘの発生量が増大する空燃比域よりもさらにリーンな側に設定されている。しかし、ポートウェットから発生して燃焼室内に流れ込んだ燃料は、燃焼室内の空燃比を設定空燃比よりもリッチ化させ、それによりＮＯｘの発生量を増大させてしまう。定常的に発生しているポート噴射時のポートウェットの場合とは異なり、筒内噴射への切り替え後に過渡的に燃焼室内に流れ込むポートウェット由来の燃料の量を正確に推定することは難しい。このため、ポートウェットの影響による空燃比の荒れを空燃比制御によって補償することは容易ではない。

なお、先に述べたように、エミッション性能の観点からは、燃料と空気との均質な混合によるリーン燃焼、いわゆる均質リーン燃焼を実現することが好ましい。しかし、この場合、わずかな空燃比の荒れでエミッション性能は低下してしまうため、均質リーン燃焼による運転を広い運転域に拡大することには限界がある。

本発明は、上記事項についての検討を踏まえて創案されたものであって、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁と、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁とを備える内燃機関を制御するにあたって、エミッション性能の低下を抑制しつつ、リーン燃焼による運転を広い運転域に拡大することを可能にする内燃機関の制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御方法は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁と、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁とを備える内燃機関を制御対象とする方法である。本制御方法は、そのような内燃機関に対し、ポート非同期噴射と、ポート同期噴射と、筒内噴射とを選択的に実行させる。ここで、本出願においては、“ポート非同期噴射”は、ポート噴射弁による燃料噴射であって、吸気バルブが閉じている間に燃料噴射を開始して吸気バルブが開く前に燃料噴射を終了すること、と定義される。また、“ポート同期噴射”は、ポート噴射弁による燃料噴射であって、吸気バルブが閉じている間に燃料噴射を開始して吸気バルブが開いている間に燃料噴射を終了すること、と定義される。つまり、本出願における“同期”とは、燃料噴射期間の少なくとも吸気バルブの開期間と重なっていることを意味する。そして、“筒内噴射”は、筒内噴射弁による燃料噴射、と定義される。

本制御方法は、内燃機関に対する要求トルクが第１トルク域にある場合は、ポート非同期噴射によってリーン燃焼を実現させる。ポート非同期噴射によれば、燃料は吸気バルブが閉じている間に吸気ポート内に噴射されるため、吸気ポート内で十分に気化させてから燃焼室内に供給することができ、燃焼室内の混合ガスの均質性を高めることができる。均質性を高めることにより、燃焼の斑をなくしてＮＯｘの発生量を抑制することができる。なお、この工程では、筒内噴射弁による燃料の噴射は禁止してもよいし許容してもよい。ただし、許容されるのは、筒内噴射によって燃焼室内に供給された燃料が、燃焼室内の混合ガスの均質性を担保できる範囲においてである。

本制御方法は、要求トルクが第１トルク域から第１トルク域よりも高い第２トルク域まで増大した場合、ポート非同期噴射からポート同期噴射に切り替える。ポート同期噴射によるリーン燃焼は、ポート非同期噴射によるリーン燃焼と比較すれば均質性に劣るものの、筒内噴射によるリーン燃焼と比較すれば均質性の高いリーン燃焼を実現することができる。また、ポート同期噴射によれば、一部の燃料は吸気バルブが開いているときに噴射され、その燃料は吸入空気とともに燃焼室内へ流れる。結果、同一の燃料噴射量で比較した場合、ポートウェットの量はポート非同期噴射の実行時よりも少なくなる。本制御方法は、ポート非同期噴射からポート同期噴射への切り替え後もリーン燃焼による運転を継続し、ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させる。なお、この工程でも、筒内噴射弁による燃料の噴射は禁止してもよいし、燃焼室内の混合ガスの均質性を担保できる範囲において許容してもよい。

ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させる工程では、要求トルクに合わせて、吸気バルブの閉期間における燃料噴射量と吸気バルブの開期間における燃料噴射量との比率を変更してもよい。好ましくは、要求トルクの増大に応じて、吸気バルブが閉じている間に行うポート噴射弁による燃料噴射の期間を減少させるとともに、吸気バルブが開いている間に行うポート噴射弁による燃料噴射の期間を増大させていく。このような制御を行うことにより、ポート非同期噴射からポート同期噴射に切り替えた後も、ポートウェットを徐々に減らしていくことができる。

また、ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させる工程では、筒内噴射弁による燃料の噴射を許容し、要求トルクの増大に応じて筒内噴射による燃料噴射の比率を徐々に増大させてもよい。トルクが増大するにつれて燃焼温度は上昇し、筒内噴射弁は熱的に厳しい環境にさらされることになるからである。筒内噴射弁による燃料噴射を行えば、相対的に低温の燃料によって筒内噴射弁の先端を冷却することができる。ただし、筒内噴射による燃料噴射の比率は、均質性の高いリーン燃焼を維持できる範囲内に制限される。

そして、本制御方法は、要求トルクが第２トルク域から第２トルク域よりも高い第３トルク域まで増大した場合は、ポート同期噴射を停止し、筒内噴射によってリーン燃焼を実現させる。このとき、仮に、ポート非同期噴射から筒内噴射へ直接切り替えたならば、ポート非同期噴射の実行時には多量のポートウェットができているため、ポートウェットから発生した燃料が切り替え後も燃焼室内に流入し続け、空燃比の荒れを生じさせてしまう。しかし、本制御方法では、ポート非同期噴射からポートウェットの量が少ないポート同期噴射に切り替え、ポートウェットを減らしてから、筒内噴射によるリーン燃焼へ切り替えるため、筒内噴射へ切り替えた直後の空燃比の荒れは抑えられる。

燃料噴射のモードの切り替えの基準となる第１トルク域、第２トルク域及び第３トルク域の各設定は、内燃機関の機械的構造や構成材料や制御特性などの各種条件に基づいて決めることができる。特に、内燃機関が過給機付きの内燃機関である場合、内燃機関の吸気管圧が大気圧以下となる領域を第１トルク域と定義し、吸気管圧が大気圧よりも高くなる領域を第２トルク域とし定義してもよい。この場合、本制御方法は、要求トルクの増大に伴い内燃機関の吸気管圧が大気圧よりも高くなったことに応答してポート非同期噴射からポート同期噴射に切り替え、ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させる。

また、本制御方法は、好ましくは、要求トルクの増大に応じて吸気バルブのバルブタイミングを進角させ、それに伴い吸気バルブと排気バルブとの間のオーバラップ量を増大させる。内燃機関が過給機付きの内燃機関である場合、過給域ではオーバラップはスカベンジを発生させる。オーバラップ量が大きくなるほど排気ポートに吹き抜ける空気の量（以下、スカベンジ量）は大きくなり、スカベンジ量が大きくなれば燃料の吹き抜けも発生するようになる。そこで、オーバラップ量に基づき推定されるスカベンジ量が所定の基準値以下となる領域を第２トルク域と定義し、スカベンジ量が基準値よりも大きくなる領域を第３トルク域と定義してもよい。この場合、本制御方法は、要求トルクの増大に伴いスカベンジ量が基準値よりも大きくなったことに応答してポート同期噴射を停止し、筒内噴射によってリーン燃焼を実現させる。

また、内燃機関がＥＧＲ装置付きの内燃機関である場合、本制御方法は、好ましくは、ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させている間にＥＧＲ装置による吸気通路へのＥＧＲガスの導入を開始する。吸気通路へのＥＧＲガスの導入開始から燃焼室内のＥＧＲ量が必要量に達するまでには時間遅れがある。しかし、ポート同期噴射の段階でＥＧＲガスの導入を開始することで、ポート同期噴射を停止して筒内噴射によるリーン燃焼に切り替わった時点でのＥＧＲガス量の不足を防ぐことができる。本制御方法は、筒内噴射によってリーン燃焼を実現させている間はＥＧＲガスの導入を継続する。筒内噴射によるリーン燃焼は、ポート噴射によるリーン燃焼に比べて混合気の均質性が低く、燃焼時にＮＯｘが発生しやすいが、ＥＧＲガスの導入によってＮＯｘの発生を抑えることができる。

以上述べたように、本発明に係る制御方法によれば、ポート非同期噴射によるリーン燃焼を行っている状況において要求トルクが増大した場合に、一旦、ポート同期噴射によるリーン燃焼に切り替えてから、筒内噴射によるリーン燃焼へ切り替えることによって、エミッション性能の低下を抑えつつリーン燃焼による運転を広い運転域に拡大することができる。

本発明の実施の形態１にかかるシステムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる内燃期間の運転モードとトルク及びエンジン回転速度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の制御方法を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の制御方法を示すタイミングチャートである。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかるシステムの構成を示す図である。本実施の形態にかかるシステムは、自動車に動力装置として搭載される内燃機関（以下、単にエンジンと称す）１０を備える。エンジン１０は複数の気筒を備え、エンジン１０の各気筒には、ピストン１２、吸気バルブ１４、排気バルブ１６、点火プラグ１８、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射弁２０、及び、筒内（燃焼室内）に直接に燃料を噴射する筒内噴射弁２２が設けられている。

図示の構成では、エンジン１０には、吸気バルブ１４の開弁特性を可変とする吸気可変動弁機構２４と、排気バルブ１６の開弁特性を可変とする排気可変動弁機構２６とが設けられている。これらの可変動弁機構には、バルブタイミング、バルブリフト量、及び作用角の少なくとも一つを可変にする公知の動弁機構を適用することができる。

エンジン１０は、ターボ過給機２８を有している。ターボ過給機２８は、コンプレッサ２８ａとタービン２８ｂとを有している。コンプレッサ２８ａは、吸気通路３０の途中に配置されており、タービン２８ｂは、排気通路３２の途中に配置されている。タービン２８ｂより下流側の排気通路３２には、三元触媒７０及びＮＯｘ浄化触媒７２が設けられている。

コンプレッサ２８ａより上流側の吸気通路３０には、吸入空気量を計測するためのエアフローメータ３４が設置されている。コンプレッサ２８ａの下流側には、コンプレッサ２８ａで圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラ３６が設置されている。インタークーラ３６の下流側には、過給圧を計測するための過給圧センサ３８が設置されている。過給圧センサ３８の下流側には、吸入空気量を調節するための電子制御式のスロットルバルブ４０が設置されている。スロットルバルブ４０の近傍には、スロットルバルブ４０の開度を計測するためのスロットルポジションセンサ４２が設置されている。スロットルバルブ４０より下流側の吸気通路３０にはサージタンク１９が形成され、サージタンク１９には吸気管圧を計測するための吸気管圧センサ５６が設置されている。

一方、タービン２８ｂの近傍には、タービン２８ｂの上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路４４が設けられている。バイパス通路４４には、ウェイストゲートバルブ４６が設置されている。ウェイストゲートバルブ４６が開くと、排気ガスの一部は、タービン２８ｂを通らずにバイパス通路４４を通って流れる。ウェイストゲートバルブ４６は、アクチュエータ４８により駆動されて、その開度が電子制御される。

また、エンジン１０は、排気ガスの一部を排気通路３２から吸気通路３０へ再循環させるＥＧＲ装置６０を有している。ＥＧＲ装置６０は、ＥＧＲ通路６２とＥＧＲクーラ６６とＥＧＲバルブ６４とを備えている。ＥＧＲ通路６２は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして取り出すための通路であって、触媒７０，７２より下流側の排気通路３２とコンプレッサ２８ａより上流側の吸気通路３０とを接続している。ＥＧＲクーラ６６は、ＥＧＲ通路６２に設置され、ＥＧＲ通路６２を流れるＥＧＲガスを冷却する。ＥＧＲバルブ６４は、ＥＧＲ通路６２の出口付近に設置され、吸気通路３０へ導入するＥＧＲガス量の調節に用いられる。

また、本実施形態のシステムには、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を計測するためのアクセルポジションセンサ５２と、エンジン１０のクランク角度を計測するためのクランク角センサ５４とを有している。

上述した各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置５０に電気的に接続されている。制御装置５０はＥＣＵ(Electronic Control Unit)である。制御装置５０は、各センサからの信号に基づいて各アクチュエータを操作することにより、エンジン１０を制御する。具体的には、制御装置５０は、先ずアクセルペダルの踏み込み量に応じて要求トルクを算出する。そして、要求トルクと現在のエンジン回転速度とに基づいてエンジン１０の運転モードを決定し、決定した運転モードに従って各アクチュエータを操作する。

制御装置５０によって選択されるエンジン１０の運転モードには、リーン燃焼による運転を行うモードと、ストイキ燃焼による運転を行うモードとが含まれる。さらに、リーン燃焼による運転を行うモードには、ポート非同期噴射によってリーン燃焼を実現させるモード、ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させるモード、及び、筒内噴射によってリーン燃焼を実現させるモードが含まれる。ポート非同期噴射及びポート同期噴射によれば、混合気の均質性を高めることができる。ポート非同期噴射とポート同期噴射とを比較した場合には、ポート非同期噴射のほうがより均質性を高めることができる。一方、筒内噴射によれば、混合気中に燃料を層状に分布させて点火プラグ周辺に燃料を集めることができる。

図２は、制御装置５０によって選択されるエンジン１０の運転モードと、トルク及びエンジン回転速度との関係を示す図である。この図に示すように、中高回転速度域から高回転速度域は、ストイキ燃焼による運転を行うストイキ燃焼域とされ、低回転速度域から低中回転速度域は、リーン燃焼による運転を行うリーン燃焼域とされている。さらに、リーン燃焼域は、低トルク側から順に、ポート非同期噴射が行われる領域（領域Ａ）と、ポート同期噴射が行われる領域（領域Ｂ）と、ポート同期噴射が行われ且つＥＧＲガスが導入される領域（領域Ｃ）と、筒内噴射が行われ且つＥＧＲガスが導入される領域（領域Ｄ）とに区画されている。なお、領域Ｂ及びＣでは、高温による筒内噴射弁２２の損傷や劣化を防ぐために、混合気の均質性を担保できる範囲内で筒内噴射が付加的に行われる。均質性を担保するには、全燃料噴射量に対するポート噴射による燃料噴射量の割合（ポート比率）が７０％を下回らないことが必要である。よって、領域Ｂ及びＣにおけるポート比率は７０〜１００％の範囲に設定されている。

リーン燃焼域において低トルク域から加速する場合、エンジン１０の運転モードは領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ、そして領域Ｄを順に移行することになる。なお、本発明の制御方法との関係においては、領域Ａは第１トルク域に、領域Ｂ及びＣは第２トルク域に、そして、領域Ｄは第３トルク域にそれぞれ対応している。

図３は、リーン燃焼域において低トルク域から加速する場合に制御装置５０によって実行されるエンジン制御のルーチンを示すフローチャートである。エンジン１０が図２に示す領域Ａで運転されている状況にて要求トルクが増大した場合、制御装置５０によって本ルーチンが実行される。本ルーチンは、要求トルクが増大し続けている間、つまり、加速が続けられている間、所定の制御周期にて繰り返し実行され続ける。そして、要求トルクの増大が終了した時点で本ルーチンの実行も終了する。

ステップＳ１０２では、制御装置５０は、吸気効率を高めるべく、吸気可変動弁機構２４を操作して吸気バルブ１４のバルブタイミングを進角する。バルブタイミングの進角量は、要求トルクの大きさに合わせて設定される。吸気バルブ１４のバルブタイミングの進角は、吸気バルブ１４と排気バルブ１６との間のオーバラップ量を増大させる。

なお、バルブタイミングの進角は、スロットルバルブ４０とウェイストゲートバルブ４６の操作による吸入空気量制御に付随して行われる。制御装置５０は、低トルク域では、ウェイストゲートバルブ４６は全開にしてスロットルバルブ４０の開度によって吸入空気量を制御する。要求トルクの増大に応じてスロットルバルブ４０を開いていくと、やがて、スロットルバルブ４０は全開まで開いて吸気管圧は大気圧に達する。スロットルバルブ４０が全開に達した後は、制御装置５０は、スロットルバルブ４０は全開に維持し、要求トルクの増大に応じてウェイストゲートバルブ４６を閉じていく。つまり、過給域では、ウェイストゲートバルブ４６の開度によって吸入空気量を制御する。

ステップＳ１０４では、制御装置５０は、エンジン１０の運転域が過給域に入ったかどうか、吸気管圧センサ５６が出力する信号に基づいて判断する。エンジン１０の運転域が過給域にない場合、つまり、吸気管圧が大気圧以下の場合、吸気バルブ１４と排気バルブ１６との間にバルブオーバラップが生じていてもスカベンジは発生しない。一方、吸気管圧が大気圧より大きい場合、バルブオーバラップによってスカベンジが発生し、バルブオーバラップ量に応じてスカベンジ量は大きくなる。

ステップＳ１０４の判定結果が否定の場合、つまり、エンジン１０の運転域が未だ自然吸気域（ＮＡ域）（図２に示す領域Ａ）にある場合、制御装置５０は、燃料噴射のモードとしてステップＳ１１６を選択する。ステップＳ１１６では、制御装置５０は、ポート噴射弁２０によるポート非同期噴射を実行し、ポート非同期噴射によってリーン燃焼を実現させる。

ステップＳ１０４の判定結果が肯定の場合、つまり、エンジン１０の運転域が過給域に入っている場合、制御装置５０は、次にステップＳ１０６の判定を行う。ステップＳ１０６では、制御装置５０は、バルブオーバラップ量に基づいてスカベンジ量を推定し、推定したスカベンジ量が所定の第１基準値“SV1”よりも大きいかどうか判断する。スカベンジ量の第１基準値は、後述する第２基準値“SV2”よりも低い値であって、第２基準値に基づいて予め設定されている。

ステップＳ１０６の判定結果が否定の場合、つまり、エンジン１０の運転域が過給域であって且つスカベンジ量が第１基準値以下の領域（図２に示す領域Ｂ）にある場合、制御装置５０は、燃料噴射のモードとしてステップＳ１１４を選択する。ステップＳ１１４では、制御装置５０は、ポート噴射弁２０によるポート同期噴射を実行し、ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させる。

ステップＳ１０６の判定結果が肯定の場合、つまり、エンジン１０の運転域が過給域であって且つスカベンジ量が第１基準値よりも大きい領域（図２に示す領域Ｃ）にある場合、制御装置５０は、ステップＳ１０８の処理を実行する。ステップＳ１０８では、制御装置５０は、ＥＧＲバルブ６４を操作して吸気通路３０にＥＧＲガスを導入する。ＥＧＲバルブ６４を開いた時点から、ＥＧＲガスが燃焼室に到達し、燃焼室内のＥＧＲガス量が十分に増大するまでには時間遅れが存在する。特に、本実施の形態のＥＧＲ装置６０のような低圧ＥＧＲ装置は、タービンの上流とコンプレッサの下流とを接続する高圧ＥＧＲ装置に比較して、ＥＧＲガスの導入口から燃焼室までの容積が大きいため、上記の時間遅れも大きくなる。上記の第１基準値は、スカベンジ量が第１基準値から第２基準値まで増大するまでの想定時間が上記の時間遅れに対応するように設定されている。なお、領域Ａ及び領域ＢではＥＧＲバルブ６４は閉じられており、吸気通路３０へのＥＧＲガスの導入は行われていない。

制御装置５０は、次にステップＳ１１０の判定を行う。ステップＳ１１０では、制御装置５０は、バルブオーバラップ量に基づいて推定したスカベンジ量が所定の第２基準値“SV2”よりも大きいかどうか判断する。ポート噴射を実行している場合、スカベンジ量が大きくなるほど排気ポートに流れる燃料の量が増大する。これに伴い燃費性能は低下するが、エミッション性能については三元触媒７０及びＮＯｘ浄化触媒７２の活性状態によって左右される。このため、スカベンジ量の第２基準値は、触媒７０，７２の活性に影響する排気ガス温度を１つのパラメータとして決定される。

ステップＳ１１０の判定結果が否定の場合、つまり、エンジン１０の運転域が過給域ではあるがスカベンジ量が第２基準値以下の領域（図２に示す領域Ｃ）にある場合、制御装置５０は、ステップＳ１１４の処理を実行する。つまり、ＥＧＲガスを導入しながらポート同期噴射によるリーン燃焼を継続する。ＥＧＲガスの導入開始から経過したサイクル数に応じて、燃焼室内のガスのＥＧＲ率は増大していき、やがて、目標とするＥＧＲ率に達するようになる。また、中高負荷域である領域Ｃでは、燃焼室内の温度の高まりによって筒内噴射弁２２は熱的に厳しい環境にさらされるようになる。このため、制御装置５０は、一部の燃料は筒内噴射弁２２から噴射し、相対的に低温の燃料によって筒内噴射弁２２の先端を冷却する。

ステップＳ１１０の判定結果が肯定の場合、つまり、エンジン１０の運転域が過給域であって且つスカベンジ量が第２基準値よりも大きい領域（図２に示す領域Ｄ）にある場合、制御装置５０は、燃料噴射のモードとしてステップＳ１１２を選択する。ステップＳ１１２では、制御装置５０は、ポート噴射弁２０によるポート同期噴射を停止し、筒内噴射弁２２による筒内噴射によってリーン燃焼を実現させる。

上述のルーチンを繰り返し実行することにより、リーン燃焼のモードは、ポート非同期噴射によるリーン燃焼から、ポート同期噴射によるリーン燃焼へ、そして、筒内噴射によるリーン燃焼へと順次切り替えられていく。

図４は、制御装置５０によって実行されるエンジン制御の内容をタイムチャートで表した図である。以下、このタイムチャートを参照して本実施の形態に係るエンジン制御の内容について具体的に説明するとともに、その作用及び効果についても併せて説明する。

図４に示すタイムチャートは、上から、要求トルク、吸気管圧、空燃比、バルブオーバラップ量、ＥＧＲ率、ポート噴射比率、ポート噴射時期、燃料消費量の各時間変化を示している。タイムチャートは、エンジン１０の運転域が領域Ａにあるところから始まっている。領域Ａにおいては、ポート噴射弁２０のみを用いて燃料噴射が行われ、ポート噴射弁２０の噴射時期は吸気バルブ１４が閉じている間とされる。つまり、ポート噴射弁２０によるポート非同期噴射が行われる。設定される空燃比はストイキよりも燃料リーンな空燃比（例えば、２４前後の空燃比）であって、ポート非同期噴射によってリーン燃焼運転が行なわれる。また、領域Ａにおいては、ＥＧＲガスは導入されず、空気のみによるリーン燃焼（エアリーン燃焼）が行われる。

運転者がアクセルペダルを踏み込み、アクセル開度から計算される要求トルクが増大すると、それに応じてスロットルバルブ４０が開かれることによって吸気管圧が増大していく。また、要求トルクの増大に応じて吸気バルブ１４のバルブタイミングが進角されることによって、バルブオーバラップ量も増大していく。なお、バルブオーバラップ量は、吸気バルブ１４の開期間と排気バルブ１６の開期間との重なりが大きいほど正の大きな値となり、吸気バルブ１４の開期間と排気バルブ１６の開期間とが重ならず、排気バルブ１６が閉じてから吸気バルブ１４が開くまでの期間が大きいほど負の大きな値となる。領域Ａにおけるバルブオーバラップ量の最小値は負値であってもよいが、遅くともエンジン１０の運転域が過給域に入ったときにはバルブオーバラップ量が正値になるように、吸気バルブ１４のバルブタイミングの制御が行われる。

要求トルクの増大に応じて、やがて吸気管圧は大気圧に達し、エンジン１０の運転域は領域Ｂに入る。吸気管圧が大気圧に達したことに応答して、ポート噴射弁２０の噴射時期が遅角され、燃料の一部は吸気バルブ１４が開いてから噴射されるようになる。つまり、ポート非同期噴射からポート同期噴射へ切り替えられる。領域Ｂでは、ポート同期噴射によってリーン燃焼運転が行なわれる。ポート噴射を行っている間は、筒内噴射では発生しないポートウェットが発生する。しかし、ポート非同期噴射からポート同期噴射へ切り替えることにより、筒内噴射への切り替えを行う前にポートウェットの量を減らしておくことができる。

要求トルクの増大に応じてバルブオーバラップ量も増大していき、それに伴いスカベンジ量も増大していく。やがて、バルブオーバラップ量から推定されるスカベンジ量が第１基準値より大きくなり、エンジン１０の運転域は領域Ｃに入る。これに応答して、吸気通路３０へのＥＧＲガスの導入が開始される。筒内のＥＧＲ率は徐々に増大していき、やがて目標とするＥＧＲ率に達する。ポート同期噴射によるリーン燃焼は、ポート非同期噴射によるリーン燃焼に比較した場合、混合ガスの均質性において劣るところがある。しかし、ＥＧＲガスの導入により燃焼温度が下げられるため、局所的に空燃比がリッチになったとしてもＮＯｘの発生は抑えられる。

また、エンジン１０の運転域が領域Ｃにあるとき、要求トルクが所定値を超えた時点から、要求トルクの増大に応じて筒内噴射による燃料噴射の比率を徐々に増大させることが行われる。これは、相対的に低温の燃料によって筒内噴射弁２２の先端を冷却し、筒内噴射弁２２を熱から保護するためである。これにより、ポート噴射の比率は１００％から７０％程度まで徐々に低下させられる。ポート噴射比率をさらに低下させれば混合気の均質性を担保することが困難になるが、７０％程度のポート噴射比率であれば均質性を担保することができる。

要求トルクのさらなる増大により、バルブオーバラップ量から推定されるスカベンジ量が第２基準値より大きくなると、エンジン１０の運転域は領域Ｄに入る。これに応答して、ポート噴射弁２０によるポート同期噴射は停止される。つまり、ポート噴射比率は０％とされて全ての燃料が筒内噴射弁２２による筒内噴射によって噴射され、筒内噴射によるリーン燃焼運転が行なわれる。タイムチャートの燃料消費量の段には、実線と破線が描かれているが、実線は本制御方法による燃料消費量であり、破線はポート同期噴射を続けた場合の燃料消費量である。領域Ｄにおいてポート同期噴射を続けた場合、スカベンジによって燃料が排気ポートへ吹き抜けるために燃料消費量が大きくなって燃費性能は悪化する。また、未燃燃料が排気ポートに流れることになるため、エミッション性能の悪化も懸念される。しかし、本制御方法によれば、スカベンジによる燃料の吹き抜けは筒内噴射によって防ぐことができるので、燃費性能及びエミッション性能を良好に保つことができる。

また、ポート噴射から筒内噴射への切り替え時には、ポートウェットの付着量の差に起因する空燃比の荒れが懸念されるが、本制御方法では、ポート非同期噴射からポートウェットの量が少ないポート同期噴射に切り替え、そこでポートウェットを十分に減らしてから、筒内噴射によるリーン燃焼へ切り替えられる。このため、筒内噴射へ切り替えた直後の空燃比の荒れは抑えられる。また、ポートウェットの影響によって空燃比が過渡的に設定空燃比よりもリッチになったとしても、この時点では燃焼室内には既に十分な量のＥＧＲガスが導入されているので、空燃比の荒れに伴うＮＯｘの発生は抑えられる。

以上述べたように、本実施の形態によれば、ターボ過給機２８を備えるエンジン１０において、低トルク域から高トルク域までの広い運転域で、エミッション性能と燃費性能の両方を良好に保ちながらリーン燃焼による運転を行うことができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を用いて説明する。

本実施の形態では、制御装置は、自然吸気型のエンジンを制御対象とする。本実施の形態に係るエンジンは、図示は省略するが、ポート噴射弁と筒内噴射弁を備え、また、ＥＧＲ装置も備えている。

図５は、リーン燃焼域において低トルク域から加速する場合に、本実施の形態に係る制御装置によって実行されるエンジン制御のルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、要求トルクが増大し続けている間、つまり、加速が続けられている間、所定の制御周期にて繰り返し実行され続ける。そして、要求トルクの増大が終了した時点で本ルーチンの実行も終了する。

ステップＳ２０２では、制御装置は、吸気効率を高めるべく、吸気バルブのバルブタイミングを進角する。バルブタイミングの進角量は、要求トルクの大きさに合わせて設定される。なお、本実施の形態に係るエンジンでは、全トルク域において吸入空気量の制御はスロットルバルブの開度によって行われる。

ステップＳ２０４では、制御装置は、要求トルクが第１基準トルク“trq1”よりも大きくなったかどうか判定する。本発明の制御方法との関係においては、第１基準トルクよりも低いトルク域が第１トルク域に対応する。

ステップＳ２０４の判定結果が否定の場合、つまり、要求トルクが第１基準トルク以下の場合、制御装置は、燃料噴射のモードとしてステップＳ２１６を選択する。ステップＳ２１６では、制御装置は、ポート噴射弁によるポート非同期噴射を実行し、ポート非同期噴射によってリーン燃焼を実現させる。

ステップＳ２０４の判定結果が肯定の場合、つまり、要求トルクが第１基準トルクよりも大きい場合、制御装置は、次にステップＳ２０６の判定を行う。ステップＳ２０６では、制御装置は、要求トルクが第２基準トルク“trq2”よりも大きいかどうか判断する。第２基準トルクは第1基準トルクよりも大きい値に設定されている

ステップＳ２０６の判定結果が否定の場合、つまり、要求トルクが第２基準トルク以下の場合、制御装置は、燃料噴射のモードとしてステップＳ２１４を選択する。ステップＳ２１４では、制御装置は、ポート噴射弁によるポート同期噴射を実行し、ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させる。

ステップＳ２０６の判定結果が肯定の場合、つまり、要求トルクが第２基準トルクよりも大きい場合、制御装置は、ステップＳ２０８の処理を実行する。ステップＳ２０８では、制御装置は、ＥＧＲ装置を操作して吸気通路にＥＧＲガスを導入する。本実施の形態に係るエンジンでは、ＥＧＲ通路は、スロットルバルブより下流側の吸気通路と触媒より上流側の排気通路とを接続している。本実施の形態においても、ＥＧＲバルブを開いた時点から燃焼室内のＥＧＲガス量が十分に増大するまでには時間遅れが存在する。上記の第２基準トルクは、要求トルクが第２基準トルクから後述する第３基準トルクまで増大するまでの想定時間が上記の時間遅れに対応するように設定されている。

制御装置は、次にステップＳ２１０の判定を行う。ステップＳ２１０では、制御装置は、要求トルクが第３基準トルク“trq3”よりも大きいかどうか判断する。第３基準トルクは第２基準トルクよりも大きい値に設定されている。本発明の制御方法との関係においては、第１基準トルク以上で第３基準トルクまでのトルク域が第２トルク域に対応し、第３基準トルク以上のトルク域が第３トルク域に対応する。

ステップＳ２１０の判定結果が否定の場合、つまり、要求トルクが第３基準トルク以下の場合、制御装置は、ステップＳ２１４の処理を実行し、ＥＧＲガスを導入しながらポート同期噴射によるリーン燃焼を継続する。ＥＧＲガスの導入開始から経過したサイクル数に応じて、燃焼室内のガスのＥＧＲ率は増大していき、やがて、目標とするＥＧＲ率に達するようになる。なお、本実施の形態においても、リーン燃焼による燃焼温度が筒内噴射弁に悪影響を及ぼすほどに高くなるのであれば、一部の燃料を筒内噴射弁から噴射し、燃料によって筒内噴射弁の先端を冷却するようにしてもよい。

ステップＳ２１０の判定結果が肯定の場合、つまり、要求トルクが第３基準トルクよりも大きい場合、制御装置は、燃料噴射のモードとしてステップＳ２１２を選択する。ステップＳ２１２では、制御装置は、ポート噴射弁によるポート同期噴射を停止し、筒内噴射弁による筒内噴射によってリーン燃焼を実現させる。高トルク域では本実施の形態のような自然吸気型のエンジンでもスカベンジが発生する場合があるが、筒内噴射によればスカベンジによる未燃燃料の排気ポートへの流出を防ぐことができる。また、高トルク域では燃焼温度が上昇するが、筒内噴射によれば燃料を燃焼室内で気化させることができるので、気化潜熱による冷却効果によって燃焼温度を許容温度以下に抑えることができる。

なお、ポート同期噴射から筒内噴射への切り替えの基準となる第３基準トルクは、スカベンジが発しないことが保証されるトルク域の上限値に設定されている。ただし、この上限値が筒内噴射でなければ燃焼温度を許容温度以下に抑えることができないトルク域の下限値よりも高い場合、この下限値を第３基準トルクに設定してもよい。また、ポート非同期噴射からポート同期噴射への切り替えの基準となる第２基準トルクは、筒内噴射に切り替えられるまでの間にポートウェットを十分に減らすことができる時間を確保できるように、第３基準トルクに基づいて決定される。

上述のルーチンを繰り返し実行することにより、リーン燃焼のモードは、ポート非同期噴射によるリーン燃焼から、ポート同期噴射によるリーン燃焼へ、そして、筒内噴射によるリーン燃焼へと順次切り替えられていく。

図６は、本実施の形態に係る制御装置によって実行されるエンジン制御の内容をタイムチャートで表した図である。以下、このタイムチャートを参照して本実施の形態に係るエンジン制御の内容について具体的に説明するとともに、その作用及び効果についても併せて説明する。

図６に示すタイムチャートは、上から、要求トルク、吸気管圧、空燃比、バルブオーバラップ量、ＥＧＲ率、ポート噴射比率、ポート噴射時期、燃料消費量の各時間変化を示している。タイムチャートは、エンジンの運転域が領域Ａにあるところから始まっている。領域Ａにおいては、ポート噴射弁を用いたポート非同期噴射によってリーン燃焼運転が行なわれる。また、領域Ａにおいては、ＥＧＲガスは導入されず、空気のみによるリーン燃焼（エアリーン燃焼）が行われる。

運転者がアクセルペダルを踏み込み、アクセル開度から計算される要求トルクが増大すると、それに応じてスロットルバルブが開かれることによって吸気管圧が増大していく。また、要求トルクの増大に応じて吸気バルブのバルブタイミングが進角されることによって、バルブオーバラップ量も増大していく。

要求トルクが第１基準トルク“trq1”を超えると、エンジンの運転域は領域Ｂに入り、ポート非同期噴射からポート同期噴射へ切り替えられる。領域Ｂでは、ポート同期噴射によってリーン燃焼運転が行なわれる。ポート非同期噴射からポート同期噴射へ切り替えることにより、筒内噴射への切り替えを行う前にポートウェットの量を減らしておくことができる。

また、ポート噴射時期のチャートに表しているように、ポート非同期噴射からポート同期噴射へ切り替えた後は、要求トルクが大きくなるほど、ポート噴射弁の噴射時期を遅角するように制御してもよい。つまり、要求トルクの増大に応じて、吸気バルブが閉じている間に行う燃料噴射の期間を減少させるとともに、吸気バルブが開いている間に行う燃料噴射の期間を増大させてもよい。このような制御を行うことにより、ポート非同期噴射からポート同期噴射に切り替えた後も、ポートウェットを徐々に減らしていくことができる。なお、この制御は実施の形態１にも適用可能である。

要求トルクがさらに増大して第２基準トルク“trq2”を超えると、エンジンの運転域は領域Ｃに入る。これに応答して、吸気通路へのＥＧＲガスの導入が開始される。ポート同期噴射はポート非同期噴射に比較して混合ガスの均質性に劣るが、ＥＧＲガスが導入されることにより、局所的に空燃比がリッチになったとしてもＮＯｘの発生は抑えられる。筒内のＥＧＲ率は徐々に増大していき、やがて目標とするＥＧＲ率に達する。

また、本実施の形態においても、エンジン１０の運転域が領域Ｃにあるとき、要求トルクが所定値を超えた時点から、要求トルクの増大に応じて筒内噴射による燃料噴射の比率を徐々に増大させ、ポート噴射の比率を１００％から混合気の均質性を担保することが可能な７０％程度まで徐々に低下させてもよい。

要求トルクがさらに増大して第３基準トルク“trq3”を超えると、エンジンの運転域は領域Ｄに入る。これに応答して、ポート噴射弁によるポート同期噴射は停止されて、全ての燃料が筒内噴射弁による筒内噴射によって噴射され、筒内噴射によるリーン燃焼運転が行なわれる。領域Ｄにおいてポート同期噴射を続けた場合、本実施の形態のような自然吸気型のエンジンおいても、スカベンジによって燃料が排気ポートへ吹き抜ける場合がある。しかし、本制御方法によれば、スカベンジによる燃料の吹き抜けは筒内噴射によって防ぐことができるので、燃費性能及びエミッション性能を良好に保つことができる。

本実施の形態によれば、自然吸気型のエンジンおいて、低トルク域から高トルク域までの広い運転域で、エミッション性能と燃費性能の両方を良好に保ちながらリーン燃焼による運転を行うことができる。

その他実施の形態．
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、ポート同期噴射を行っている期間内にＥＧＲガスの導入を開始しているが、このＥＧＲガスの導入は必須ではない。本発明はＥＧＲ装置を備えない内燃機関の制御にも適用することができる。また、ポート同期噴射を行っているときに筒内噴射の比率を徐々に増加させることも必須ではない。筒内噴射弁の許容温度と燃焼温度との間に余裕がある場合には、筒内噴射は行わなくてもよい。逆に、混合気の均質性を担保できる範囲内であれば、ポート非同期噴射の実行時に筒内噴射を加えることも可能である。

１０ 内燃機関
１４ 吸気バルブ
１６ 排気バルブ
２０ ポート噴射弁
２２ 筒内噴射弁
２４ 吸気可変動弁機構
２８ ターボ過給機
２８ａ コンプレッサ
２８ｂ タービン
３０ 吸気通路
３２ 排気通路
３８ 過給圧センサ
４０ スロットルバルブ
４６ ウェイストゲートバルブ
５０ 制御装置
５４ クランク角センサ
５６ 吸気管圧センサ
６０ ＥＧＲ装置
６２ ＥＧＲ通路
６４ ＥＧＲバルブ

Claims (6)

1. 吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁と、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁とを備える内燃機関に対し、吸気バルブが閉じている間に前記ポート噴射弁による燃料噴射を開始して前記吸気バルブが開く前に前記ポート噴射弁による燃料噴射を終了するポート非同期噴射と、前記吸気バルブが閉じている間に前記ポート噴射弁による燃料噴射を開始して前記吸気バルブが開いている間に前記ポート噴射弁による燃料噴射を終了するポート同期噴射と、前記筒内噴射弁による燃料噴射を行う筒内噴射と、を選択的に実行させる制御方法において、
   前記内燃機関に対する要求トルクが第１トルク域にある場合は、前記ポート非同期噴射によってストイキ燃焼よりも燃料がリーンであるリーン燃焼を実現させ、
   前記要求トルクが前記第１トルク域から前記第１トルク域よりも高い第２トルク域まで増大した場合は、前記ポート非同期噴射から前記ポート同期噴射に切り替え、前記ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させ、
   前記要求トルクが前記第２トルク域から前記第２トルク域よりも高い第３トルク域まで増大した場合は、前記ポート同期噴射を停止し、前記筒内噴射によってリーン燃焼を実現させることを特徴とする内燃機関の制御方法。
2. 前記内燃機関は、排気ガスの一部を排気通路から吸気通路へＥＧＲガスとして再循環させるＥＧＲ装置付きの内燃機関であり、
   前記ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させている間に前記ＥＧＲ装置による前記吸気通路へのＥＧＲガスの導入を開始し、前記筒内噴射によってリーン燃焼を実現させている間はＥＧＲガスの導入を継続することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
3. 前記内燃機関は、過給機付きの内燃機関であり、
   前記内燃機関の吸気管圧が大気圧以下となる領域を前記第１トルク域と定義し、前記吸気管圧が大気圧よりも高くなる領域を前記第２トルク域と定義して、前記要求トルクの増大に伴い前記内燃機関の吸気管圧が大気圧よりも高くなったことに応答して前記ポート非同期噴射から前記ポート同期噴射に切り替えて前記ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御方法。
4. 前記要求トルクの増大に応じて前記吸気バルブのバルブタイミングを進角させ、それに伴い前記吸気バルブと排気バルブとの間のオーバラップ量を増大させるとともに、
   前記オーバラップ量に基づき推定されるスカベンジ量が所定の基準値以下となる領域を前記第２トルク域と定義し、前記スカベンジ量が前記基準値よりも大きくなる領域を前記第３トルク域と定義して、前記要求トルクの増大に伴い前記スカベンジ量が前記基準値よりも大きくなったことに応答して前記ポート同期噴射を停止し前記筒内噴射によってリーン燃焼を実現させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御方法。
5. 前記ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させる工程では、前記要求トルクの増大に応じて前記吸気バルブが閉じている間に行う前記ポート噴射弁による燃料噴射の期間を減少させるとともに、前記吸気バルブが開いている間に行う前記ポート噴射弁による燃料噴射の期間を増大させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関の制御方法。
6. 前記ポート同期噴射によってリーン燃焼を実現させる工程では、前記要求トルクの増大に応じて前記筒内噴射による燃料噴射の比率を所定の範囲内で徐々に増大させることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関の制御方法。

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