JP2016128666A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プリイグニッションなどの異常燃焼及びスモークの発生の両方を確実に抑制することができるエンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】幾何学的圧縮比が１４以上である高圧縮比で運転されるエンジンの制御装置（ＰＣＭ１０）であって、エンジン回転数が所定回転数以下で且つエンジン負荷が所定負荷以上である低回転高負荷域において、圧縮行程の後半以降に燃料の噴射を開始するように燃料噴射弁６７を制御すると共に、燃料噴射開始時期が所定タイミングよりも遅角した場合に、燃料噴射開始時期の所定タイミングからの遅角度合に応じて、点火時期を遅角させるように点火プラグ２５を制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、エンジンの制御装置に係わり、特に、高圧縮比で運転されるエンジンの制御装置に関する。

一般的には、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いるエンジンでは、点火プラグによって着火する火花点火方式が広く採用されている。一方、最近では、燃費の向上を図る観点などから、エンジンの幾何学的圧縮比として高圧縮比（例えば１７以上）を適用して、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いつつ、所定の運転領域において、圧縮自己着火（具体的にはＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression Ignition）と呼ばれる予混合圧縮自己着火）を行う技術が開発されている。

このような圧縮自己着火を行うようにしたエンジンに関する技術が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、低負荷領域では圧縮自己着火を行い、高負荷領域では火花点火によって着火するエンジンにおいて、低回転高負荷領域では、燃圧（燃料圧力）を高くして、燃料噴射開始時期から点火時期までの時間を短くすることで、つまり燃料噴射開始時期を遅角して点火までの反応時間を短くすることで、プリイグニッション（火花点火をきっかけにした正常な燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火する現象）などの異常燃焼を抑制する技術が開示されている。

特開２０１２−１７２６６２号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の技術では、燃圧を高くすることで、プリイグニッションなどの異常燃焼が発生しない範囲内で、燃料噴射開始時期をできるだけ遅角させているが、そうした場合、燃料を噴射してから点火するまでの時間が短くなり過ぎて、燃焼室内の燃料（混合気）の混合性が十分に確保されずに、スモーク（煤）が発生してしまう可能性がある。特に、有効圧縮比が高くなった場合、プリイグニッションを抑制するためには、燃料噴射開始時期を大きく遅角させるのが望ましいので、燃料を噴射してから点火するまでの時間が非常に短くなり、スモークが発生する可能性が高くなってしまう。加えて、燃費などの観点からは、点火時期のみを変化させた場合にエンジントルクが最大となる所定の点火時期（一般的に「ＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）」と呼ばれる。）を適用することが望ましいが、そのようなＭＢＴを適用し続けると、有効圧縮比が高くなった場合に、燃料を噴射してから点火するまでの時間が非常に短くなり、スモークが発生する可能性が高くなってしまう。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、適切な燃料噴射開始時期及び点火時期を適用することで、プリイグニッションなどの異常燃焼及びスモークの発生の両方を確実に抑制することができるエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、幾何学的圧縮比が１４以上である高圧縮比で運転されるエンジンの制御装置であって、エンジン回転数が所定回転数以下で且つエンジン負荷が所定負荷以上である低回転高負荷域において、圧縮行程の後半以降に燃料の噴射を開始するように燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、燃料噴射制御手段による燃料噴射開始時期が所定タイミングよりも遅角した場合に、燃料噴射開始時期の所定タイミングからの遅角度合に応じて、点火時期を遅角させるように点火プラグを制御する点火制御手段と、を有することを特徴とする。
このように構成された本発明においては、燃料噴射制御手段は、圧縮行程の後半以降に燃料の噴射を開始し、点火制御手段は、燃料噴射制御手段が燃料噴射開始時期を所定タイミングよりも遅角させた場合に、所定タイミングからの遅角度合に応じて、点火時期を遅角させる。これにより、適切な燃料噴射開始時期の適用により、プリイグニッションを抑制することができると共に、適切な点火時期の適用により、スモークの発生を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、燃料噴射制御手段は、有効圧縮比が高くなるほど、燃料噴射開始から圧縮上死点までの時間が短くなるように、燃料噴射開始時期を遅角させていく。
このように構成された本発明によれば、有効圧縮比が高くなるほど、燃料噴射開始から圧縮上死点までの時間が短くなるように燃料噴射開始時期を遅角させるので、燃料噴射から点火までの間に、プリイグニッションの要因となる混合気の化学反応が進んでしまうことを適切に抑制することができ、プリイグニッションを効果的に抑制することが可能となる。

本発明において、好ましくは、点火制御手段は、燃料噴射制御手段による燃料噴射開始時期が所定タイミングよりも遅角した場合に、燃料噴射制御手段による燃料噴射開始時期と、燃料噴射弁から燃料が噴射されてから点火プラグ周りに混合気が形成されるまでの混合気形成時間とに基づいて、点火時期を設定する。
このように構成された本発明によれば、燃料噴射弁から燃料が噴射されてから点火プラグ周りに混合気が形成されるまでの混合気形成時間に基づき点火時期を設定するので、燃焼室内での混合気の混合性を適切に確保し、スモークの発生を効果的に抑制することができる。

本発明において、好ましくは、エンジンは、下方に凹んだキャビティが上部に設けられたピストンを有し、燃料噴射弁は、このピストンのキャビティに向けて燃料を噴射し、混合気形成時間は、燃料噴射弁から燃料が噴射されてから、この燃料を含む混合気がピストンのキャビティを経由して点火プラグに到達するまでの時間に基づき定められる。
このように構成された本発明によれば、適切な混合気形成時間に基づき点火時期を設定するので、スモークの発生をより効果的に抑制することができる。また、このように、ピストンのキャビティに向けて燃料を噴射して、キャビティを経由して点火プラグに到達させて点火する構成によれば、混合気形成時間を短くすることができると共に、燃焼を安定させることができる。

本発明において、好ましくは、燃料噴射制御手段による燃料噴射開始時期が所定タイミングよりも進角側である場合に、点火時期のみを変化させた場合にエンジントルクが最大となる所定の点火時期を、点火制御手段による点火時期に適用すべく、エンジン負荷が高くなるほど、燃料の燃圧を高くする燃圧制御手段を更に有する。
このように構成された本発明によれば、燃料噴射開始時期が所定タイミングよりも進角側である場合に、エンジン負荷が高くなるほど、燃料の燃圧を高くして、点火時期のみを変化させた場合にエンジントルクが最大となる所定の点火時期（ＭＢＴ）を点火時期に適用するので、燃費を確保することが可能となる。

本発明において、好ましくは、燃料噴射制御手段は、火花点火をきっかけにした正常な燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火するプリイグニッションが生じないように、燃料噴射開始時期を設定する。
このように構成された本発明によれば、適切な燃料噴射開始時期を適用して、プリイグニッションの発生を効果的に抑制することが可能となる。

本発明のエンジンの制御装置によれば、適切な燃料噴射開始時期及び点火時期を適用することで、プリイグニッションなどの異常燃焼及びスモークの発生の両方を確実に抑制することができる。

本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。 本発明の実施形態によるエンジンの制御装置に関する電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室を拡大して示す断面図である。 本発明の実施形態によるエンジンの運転領域の説明図である。 本発明の実施形態において低回転高負荷域で適用する燃料噴射開始時期及び点火時期の説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置について説明する。

図１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジン（エンジン本体）１の概略構成を示し、図２は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置に関する電気的構成を示すブロック図である。

エンジン１は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給される火花点火式ガソリンエンジンである。エンジン１は、複数の気筒１８が設けられたシリンダブロック１１（尚、図１では、１つの気筒のみを図示するが、例えば４つの気筒が直列に設けられる）と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン１３とを有している。各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面には、図３に拡大して示すように、ディーゼルエンジンでのリエントラント型のようなキャビティ１４１が形成されている。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときには、後述する燃料噴射弁６７に相対する。シリンダヘッド１２と、気筒１８と、キャビティ１４１を有するピストン１４とは、燃焼室１９を区画する。尚、燃焼室１９の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ１４１の形状、ピストン１４の頂面形状、及び、燃焼室１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。

このエンジン１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、１５以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。例えば、幾何学的圧縮比は１５以上２０以下程度の範囲で適宜設定すればよい。

シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されていると共に、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７には、燃焼室１９側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。

吸気弁２１及び排気弁２２をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変機構（図２参照。以下、ＶＶＬ（Variable Valve Lift）と称する）７１が設けられている。ＶＶＬ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を一つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロファイルの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁２２に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する。ＶＶＬ７１の通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。具体的に、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。

以下の説明においては、ＶＶＬ７１を通常モードで作動させ、排気二度開きを行わないことを、「ＶＶＬ７１をオフにする」といい、ＶＶＬ７１を特殊モードで作動させ、排気二度開きを行うことを、「ＶＶＬ７１をオンにする」という場合がある。尚、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。また、内部ＥＧＲの実行は、排気二度開きのみによって実現されるのではない。例えば吸気弁２１を二回開く、吸気の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを気筒１８内に残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。

ＶＶＬ７１を備えた排気側の動弁系に対し、吸気側には、図２に示すように、クランクシャフト１５に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）と称する）７２と、吸気弁２１のリフト量を連続的に変更することが可能なリフト量可変機構（以下、ＣＶＶＬ（Continuously Variable Valve Lift）と称する）７３とが設けられている。ＶＶＴ７２は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。また、ＣＶＶＬ７３も、公知の種々の構造を適宜採用することが可能であり、その詳細な構造についての図示は省略する。ＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３によって、吸気弁２１はその開弁タイミング及び閉弁タイミング、並びに、リフト量をそれぞれ変更することが可能である。

シリンダヘッド１２にはまた、気筒１８毎に、気筒１８内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁６７が取り付けられている。燃料噴射弁６７は、図３に拡大して示すように、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、その燃焼室１９内に臨むように配設されている。燃料噴射弁６７は、エンジン１の運転状態に応じて設定された噴射タイミングでかつ、エンジン１の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室１９内に直接噴射する。この例において、燃料噴射弁６７は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型のインジェクタである。これによって、燃料噴射弁６７は、燃料噴霧が、燃焼室１９の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。

図３に矢印で示すように、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室１９の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動することにより、後述する点火プラグ２５の周囲に到達するようになる。このようにして、燃料噴射弁６７から燃料が噴射されてから、この燃料を含む混合気がキャビティ１４１を経由して点火プラグ２５に到達するまでの時間が、混合気形成時間に相当する。また、キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている、と言い換えることが可能である。この多噴口型の燃料噴射弁６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、混合気形成期間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。尚、燃料噴射弁６７は、多噴口型の燃料噴射弁に限定されず、外開弁タイプの燃料噴射弁を採用してもよい。
なお、上記した混合気形成時間は、燃料の噴射開始時期（燃料の噴射を開始したときのピストン１０の位置と言い換えることができる）や燃料の燃圧などに応じて、キャビティ１４１の形状や点火プラグ２５の位置などに基づき定められた演算式より求めることができる。若しくは、混合気形成時間は、燃料の噴射開始時期や燃圧などを種々に変えて行った実験やシミュレーションから求めることができる。

図外の燃料タンクと燃料噴射弁６７との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含みかつ、燃料噴射弁６７に、比較的高い燃圧（燃料圧力）で燃料を供給することが可能な燃料供給システム６２が介設されている。燃料ポンプ６３は、燃料タンクからコモンレール６４に燃料を圧送し、コモンレール６４は圧送された燃料を、比較的高い燃圧で蓄えることが可能である。燃料噴射弁６７が開弁することによって、コモンレール６４に蓄えられている燃料が燃料噴射弁６７の噴口から噴射される。ここで、燃料ポンプ６３は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、エンジン１によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の燃料供給システム６２は、３０ＭＰａ以上の高い燃圧の燃料を、燃料噴射弁６７に供給することを可能にする。燃圧は、最大で１２０ＭＰａ程度に設定してもよい。燃料噴射弁６７に供給される燃料の圧力は、後述するように、エンジン１の運転状態に応じて変更される。尚、燃料供給システム６２は、この構成に限定されるものではない。この燃料供給システム６２が燃圧設定機構を構成する。

シリンダヘッド１２にはまた、図３に示すように、燃焼室１９内の混合気に点火する点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、この例では、斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通して配置されている。図３に示すように、点火プラグ２５の先端は、圧縮上死点に位置するピストン１４のキャビティ１４１内に臨んで配置される、より詳しくはキャビティ１４１の縁端部の上方付近に配置される。

エンジン１の一側面には、図１に示すように、各気筒１８の吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、エンジン１の他側面には、各気筒１８の燃焼室１９からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１８毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１８の吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、空気を冷却又は加熱する、水冷式のインタークーラ／ウォーマ３４と、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。吸気通路３０にはまた、インタークーラ／ウォーマ３４をバイパスするインタークーラバイパス通路３５が接続されており、このインタークーラバイパス通路３５には、当該通路３５を通過する空気流量を調整するためのインタークーラバイパス弁３５１が配設されている。インタークーラバイパス弁３５１の開度調整を通じて、インタークーラバイパス通路３５の通過流量とインタークーラ／ウォーマ３４の通過流量との割合を調整することにより、気筒１８に導入する新気の温度を調整することが可能である。

排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１８毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２が触媒を構成する。

吸気通路３０におけるサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分と、排気通路４０における直キャタリスト４１よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ通路５０を介して接続されている。このＥＧＲ通路５０は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２が配設された主通路５１と、ＥＧＲクーラ５２をバイパスするためのＥＧＲクーラバイパス通路５３と、を含んで構成されている。主通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５１１が配設され、ＥＧＲクーラバイパス通路５３には、ＥＧＲクーラバイパス通路５３を流通する排気ガスの流量を調整するためのＥＧＲクーラバイパス弁５３１が配設されている。これらＥＧＲ通路５０、主通路５１、ＥＧＲ弁５１１、ＥＧＲクーラ５２、ＥＧＲクーラバイパス通路５３及びＥＧＲクーラバイパス弁５３１が排気還流機構の１つ、例えば、第２排気還流機構を構成する。

このように構成されたエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が制御器を構成する。

ＰＣＭ１０には、図１及び図２に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１８の検出信号が入力される。この各種のセンサには、次のセンサが含まれる。すなわち、エアクリーナ３１の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１及び新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２、インタークーラ／ウォーマ３４の下流側に配置されかつ、インタークーラ／ウォーマ３４を通過した後の新気の温度を検出する、第２吸気温度センサＳＷ３、ＥＧＲ通路５０における吸気通路３０との接続部近傍に配置されかつ、外部ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温センサＳＷ４、吸気ポート１６に取り付けられかつ、気筒１８内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサＳＷ５、シリンダヘッド１２に取り付けられかつ、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６、排気通路４０におけるＥＧＲ通路５０の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサＳＷ７及び排気圧センサＳＷ８、直キャタリスト４１の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ２センサＳＷ９、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ２センサＳＷ１０、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ１２、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ１３、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４，ＳＷ１５、燃料供給システム６２のコモンレール６４に取り付けられかつ、燃料噴射弁６７に供給する燃圧を検出する燃圧センサＳＷ１６、車速を検出する車速センサＳＷ１７、及び、シフトレバー９３のポジションを検出するポジションセンサＳＷ１８である。

ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じて燃料噴射弁６７、点火プラグ２５、吸気弁側のＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３、排気弁側のＶＶＬ７１、燃料供給システム６２、発電機８１並びに、各種の弁（スロットル弁３６、インタークーラバイパス弁３５１、ＥＧＲ弁５１１、及びＥＧＲクーラバイパス弁５３１）のアクチュエータへ制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ１０は、エンジン１を運転する。
なお、詳細は後述するが、ＰＣＭ１０は、本発明における「エンジンの制御装置」に相当し、燃料噴射弁６７からの燃料の噴射タイミングを制御する「燃料噴射制御手段」、点火プラグ２５による点火タイミングを制御する「点火制御手段」、及び、燃料供給システム６２によって、燃料噴射弁６７から噴射する燃料の燃圧を制御する「燃圧制御手段」として機能する。

図４は、本発明の実施形態によるエンジン１の運転領域の一例を示している。このエンジン１は、燃費の向上や排気エミッション性能の向上を目的として、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域では、点火プラグ２５による点火を行わずに、圧縮自己着火によって燃焼を行う圧縮着火燃焼を行う。しかしながら、エンジン１の負荷が高くなるに従って、圧縮着火燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、例えば燃焼騒音等の問題を引き起こすことになる。そのため、このエンジン１では、エンジン負荷が相対的に高い高負荷域では、圧縮着火燃焼を止めて、点火プラグ２５を利用した火花点火燃焼に切り替える。このように、このエンジン１は、エンジン１の運転状態、特にエンジン１の負荷に応じて、圧縮着火燃焼を行うＣＩ（Compression Ignition）モード（圧縮着火モード）と、火花点火燃焼を行うＳＩ（Spark Ignition）モードとを切り替えるように構成されている。但し、モード切り替えの境界線は、図例に限定されるものではない。

ＣＩモードはさらに、エンジン負荷の高低に応じて３つの領域に分けられている。具体的に、ＣＩモードにおいて負荷が最も低い領域（１）では、圧縮着火燃焼の着火性及び安定性を高めるために、相対的に温度の高いＥＧＲガス（以下、ホットＥＧＲガスともいう）を気筒１８内に導入する。これは、ＶＶＬ７１をオンにして、排気弁２２を吸気行程中に開弁する排気の二度開きを行うことによる。ホットＥＧＲガスの導入は、気筒１８内の圧縮端温度を高め、軽負荷である領域（１）において、圧縮着火燃焼の着火性及び安定性を高める上で有利になる。領域（１）ではまた、少なくとも吸気行程から圧縮行程中期までの期間内において、燃料噴射弁６７が気筒１８内に燃料を噴射することにより、均質なリーン混合気を形成する。混合気の空気過剰率λは、例えば２．４以上に設定してもよく、こうすることで、ＲａｗＮＯｘの生成を抑制して、排気エミッション性能を高めることが可能になる。そうして、そのリーン混合気は、圧縮上死点付近において圧縮自己着火する。

詳細は後述するが、領域（１）における負荷の高い領域、具体的には、領域（１）と領域（２）との境界を含む領域では、少なくとも吸気行程から圧縮行程中期までの期間内において、気筒１８内に燃料を噴射するものの、混合気の空燃比を理論空燃比（λ≒１）に設定する。理論空燃比にすることにより、三元触媒が利用可能になると共に、ＳＩモードとＣＩモードとの間の切り替え時の制御が簡素化し、さらに、ＣＩモードを高負荷側へ拡大可能にすることにも寄与する。

ＣＩモードにおいて、領域（１）よりも負荷の高い領域（２）では、領域（１）の高負荷側と同様に、少なくとも吸気行程から圧縮行程中期までの期間内において、気筒１８内に燃料を噴射し、均質な理論空燃比（λ≒１）の混合気を形成する。

領域（２）ではまた、エンジン負荷の上昇に伴い気筒１８内の温度が自然と高まることから、過早着火を回避するためにホットＥＧＲガス量を低下させる。これは、気筒１８内に導入する内部ＥＧＲガス量の調整による。

領域（２）ではさらに、相対的に温度の低いＥＧＲガス（以下、クールドＥＧＲガスともいう）を気筒１８内に導入する。こうして高温のホットＥＧＲガスと低温のクールドＥＧＲガスとを適宜の割合で気筒１８内に導入することにより、気筒１８内の圧縮端温度を適切にし、圧縮着火の着火性を確保しつつも急激な燃焼を回避して、圧縮着火燃焼の安定化を図る。尚、ホットＥＧＲガス及びクールドＥＧＲガスを合わせた、気筒１８内に導入されるＥＧＲガスの割合としてのＥＧＲ率は、混合気の空気過剰率をλ≒１に設定する条件下で可能な限り高いＥＧＲ率に設定される。従って、領域（２）においては、エンジン負荷の増大に伴い燃料噴射量が増大するから、ＥＧＲ率は次第に低下するようになる。

ＣＩモードとＳＩモードとの切り替え境界線を含む、ＣＩモードにおいて最も負荷の高い領域（３）では、気筒１８内の圧縮端温度がさらに高くなるため、領域（１）や領域（２）のように、吸気行程から圧縮行程中期までの期間内で気筒１８内に燃料を噴射してしまうと、過早着火等の異常燃焼が生じるようになる。一方、温度の低いクールドＥＧＲガスを大量に導入して気筒内の圧縮端温度を低下させようとすると、今度は、圧縮着火の着火性が悪化してしまう。つまり、気筒１８内の温度制御だけでは、圧縮着火燃焼を安定して行い得ないため、この領域（３）では、気筒１８内の温度制御に加えて、燃料噴射形態を工夫することによって過早着火等の異常燃焼を回避しつつ、圧縮着火燃焼の安定化を図る。具体的に、この燃料噴射形態は、従来と比較して大幅に高圧化した燃圧でもって、少なくとも圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間（以下、この期間をリタード期間と呼ぶ）内で、気筒１８内に燃料噴射を実行するものである。このような高圧リタード噴射により、領域（３）での異常燃焼を回避しつつ、圧縮着火燃焼の安定化が図られる。この高圧リタード噴射に詳細については、後述する。

領域（３）では、領域（２）と同様に、高温のホットＥＧＲガスと低温のクールドＥＧＲガスとを適宜の割合で気筒１８内に導入する。このことにより、気筒１８内の圧縮端温度を適切にして圧縮着火燃焼の安定化を図る。

エンジン負荷の高低に応じて３つの領域に分けられたＣＩモードに対して、ＳＩモードは、エンジン回転数の高低に応じて、領域（４）と領域（５）との２つの領域に分けられている。領域（４）及び領域（５）は、上記した領域（１）〜（３）よりも高負荷の領域に相当する、具体的にはエンジン負荷が所定負荷以上の領域に相当する。領域（４）は、図例においては、エンジン１の運転領域を低速、高速の２つに区分したときの低速域に相当し、領域（５）は高速域に相当する、言い換えると、領域（４）は、エンジン回転数が所定回転数以下の低回転領域に相当し、領域（５）は、エンジン回転数が所定回転数を超える高回転領域に相当する。なお、領域（４）と領域（５）との境界は、図４に示す運転領域において、負荷の高低に対して回転数方向に傾いているが、領域（４）と領域（５）との境界は図例に限定されるものではない。

領域（４）及び領域（５）のそれぞれにおいて、混合気は、領域（２）及び領域（３）と同等に、理論空燃比（λ≒１）に設定される。従って、混合気の空燃比は、ＣＩモードとＳＩモードとの境界を跨って理論空燃比（λ≒１）で一定にされる。これは、三元触媒の利用を可能にする。また、領域（４）及び領域（５）では、基本的にはスロットル弁３６を全開にする一方で、ＥＧＲ弁５１１の開度調整により、気筒１８内に導入する新気量及び外部ＥＧＲガス量を調整する。こうして気筒１８内に導入するガス割合を調整することは、ポンプ損失の低減と共に、大量のＥＧＲガスを気筒１８内に導入することにより、火花点火燃焼の燃焼温度が低く抑えられ冷却損失の低減も図られる。領域（４）及び領域（５）では、主にＥＧＲクーラ５２を通じて冷却した外部ＥＧＲガスを、気筒１８に導入する。このことによって、異常燃焼の回避に有利になると共に、Ｒａｗ ＮＯｘの生成を抑制するという利点もある。ＥＧＲ弁５１１の開度及びＥＧＲクーラバイパス弁５３１の開度は、エンジン負荷の増大に伴い減少していく。このとき、ＥＧＲ弁５１１の開度の方がＥＧＲクーラバイパス弁５３１の開度よりも相対的に大きく、つまり、クールドＥＧＲガスの方がホットＥＧＲガスよりも多い。そして、エンジン負荷の増大に伴い、ＥＧＲクーラバイパス弁５３１の方がＥＧＲ弁５１１よりも先に全閉状態となる。尚、全開負荷域では、ＥＧＲ弁５１１を閉弁することにより、外部ＥＧＲをゼロにする。

このエンジン１の幾何学的圧縮比は、前述の通り、１５以上（例えば１８）に設定されている。高い圧縮比は、圧縮端温度及び圧縮端圧力を高くするため、ＣＩモードの、特に低負荷の領域（例えば領域（１））では、圧縮着火燃焼の安定化に有利になる。一方で、この高圧縮比エンジン１は、高負荷域であるＳＩモードにおいては、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じやすくなるという問題がある。

そこで、このエンジン１では、ＳＩモードの領域（４）や領域（５）においては、前述した高圧リタード噴射を行うことにより、異常燃焼を回避するようにしている。より詳細には、領域（４）においては、例えば少なくとも３０ＭＰａ以上の高い燃圧でもって、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてリタード期間内で、気筒１８内に燃料噴射を実行する高圧リタード噴射のみを行う。これに対し、領域（５）においては、噴射する燃料の一部を、吸気弁２１が開弁している吸気行程期間内で気筒１８内に噴射すると共に、残りの燃料をリタード期間内で気筒１８内に噴射する。つまり、領域（５）では、燃料の分割噴射を行う。ここで、吸気弁２１が開弁している吸気行程期間とは、ピストン位置に基づいて定義した期間ではなく、吸気弁の開閉に基づいて定義した期間であり、ここで言う吸気行程は、ＶＶＴ７２やＣＶＶＬ７３によって変更される吸気弁２１の閉弁時期によって、ピストンが吸気下死点に到達した時点に対しずれる場合がある。

次に、図５を参照して、本発明の実施形態による制御方法について説明する。図５は、本発明の実施形態において、低回転高負荷域（例えば図４の領域（４））で適用する燃料噴射開始時期及び点火時期を説明するための図を示す。図５では、横軸に有効圧縮比を示しており、左側に進むと有効圧縮比が低くなり、右側に進むと有効圧縮比が高くなる。例えば、この横軸には、１４から１９までの有効圧縮比を示している。また、図５では、縦軸に、圧縮上死点（以下では適宜「ＴＤＣ」を付す。）を基準にした、燃料噴射開始時期又は点火時期を示しており、上側に進むと圧縮上死点から進角していき、下側に進むと圧縮上死点から遅角していく。

図５中の領域Ｒ１は、この領域内で燃料噴射を開始すると、火花点火をきっかけにした正常な燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火するプリイグニッションが発生する領域を示している。領域Ｒ１より、有効圧縮比が高くなると、プリイグニッションが発生する領域が遅角側に大きくなることがわかる。これは、有効圧縮比が高くなると、プリイグニッションを抑制するには、燃料噴射開始時期を遅角させる必要があることを意味する、言い換えると、燃料噴射開始時期から圧縮上死点ＴＤＣまでの時間を短くする必要があることを意味する。

本実施形態では、ＰＣＭ１０は、プリイグニッションを抑制すべく、領域Ｒ１の境界線（プリイグニッションが発生しない限界の燃料噴射開始時期に相当する）に対応するグラフＧ１に従って、燃料噴射弁６７からの燃料噴射を開始するよう制御する。つまり、ＰＣＭ１０は、現在の有効圧縮比（シリンダ内容積やヘッド内容積やバルブタイミングなどに基づき、公知の手法により算出することができる）に対応するグラフＧ１上のタイミングを、燃料噴射弁６７の燃料噴射開始時期として適用する。この場合、ＰＣＭ１０は、有効圧縮比が高くなるほど、燃料噴射開始から圧縮上死点ＴＤＣまでの時間が短くなるように燃料噴射開始時期を遅角させていくことで、プリイグニッションを抑制するようにする。なお、有効圧縮比がかなり高い状況では、圧縮上死点ＴＤＣの直前で燃料噴射を開始することとなるが、その場合には、圧縮行程内に噴射すべき燃料を全て噴射しきれずに、圧縮行程の後の膨張行程でも燃料を噴射することとなる。

他方で、図５中のグラフＧ２、Ｇ３は、グラフＧ１に従った燃料噴射開始時期に対して、前述した、燃料噴射弁６７から燃料が噴射されてから点火プラグ２５周りに混合気が形成されるまでの混合気形成時間（図３参照）を適用した点火時期を示している。つまり、グラフＧ２、Ｇ３に示す点火時期は、グラフＧ１に従って燃料噴射を開始してから当該点火時期にて点火を実施すると、燃焼室内の混合気における混合性を得るのに十分な時間が確保され、スモークが発生しないような点火時期に相当する。具体的には、グラフＧ２は、比較的低い燃圧（例えば４０Ｍｐａ）を用いた場合の、スモークが発生しない点火時期の制限を示している、詳しくは、当該点火時期よりも進角させるとスモークが発生する可能性があり、当該点火時期よりも遅角せるとスモークが発生しないことを指し示すグラフである。一方、グラフＧ３は、比較的高い燃圧（例えば１２０Ｍｐａ）を用いた場合の、スモークが発生しない点火時期の制限を示している、詳しくは、当該点火時期よりも進角させるとスモークが発生する可能性があり、当該点火時期よりも遅角せるとスモークが発生しないことを指し示すグラフである。グラフＧ２、Ｇ３より、燃圧が高くなると、スモークを発生させずに点火できる時期が進角側になることがわかる。これは、燃圧が高くなると、燃料噴霧の微粒化が進みやすくなると共に、燃料噴霧の飛翔距離がより長くなるため、混合気形成時間が短縮するからである。

次に、本実施形態で適用する点火時期について具体的に説明する。本実施形態では、ＰＣＭ１０は、スモークを抑制する観点から、グラフＧ１に従った燃料噴射開始時期と、使用する燃圧とに応じた、グラフＧ２又はグラフＧ３上にある点火時期よりも少なくとも遅角側の点火時期（グラフＧ２又はグラフＧ３上にある点火時期も含む）にて、点火プラグ２５による点火を実施するように制御する。また、ＰＣＭ１０は、燃費などを確保する観点から、点火時期のみを変化させた場合にエンジントルクが最大となる所定の点火時期（以下では単に「ＭＢＴ」と表記する）をできる限り適用するようにする。つまり、ＰＣＭ１０は、スモークが発生しない範囲内で、ＭＢＴをできる限り適用するようにする。以下では、ＭＢＴとして圧縮上死点ＴＤＣを適用した場合を例に挙げる。

まず、有効圧縮比がＣＲ１未満においては、比較的低い燃圧においてスモークが発生しない点火時期（グラフＧ２参照）が、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣよりも進角側に位置するので、この有効圧縮比の範囲では、比較的低い燃圧を用いても、スモークを発生させずに、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣを実現することができると言える。したがって、ＰＣＭ１０は、有効圧縮比がＣＲ１未満においては、燃料供給システム６２によって比較的低い燃圧（例えば４０Ｍｐａ）に制御して、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣで点火するように点火プラグ２５を制御する。

これに対して、有効圧縮比がＣＲ１以上になると、比較的低い燃圧においてスモークが発生しない点火時期（グラフＧ２参照）が、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣよりも遅角側に位置するので、この有効圧縮比の範囲では、比較的低い燃圧を用いると、スモークを発生させずに、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣを実現することが困難となる。一方で、比較的高い燃圧においてスモークが発生しない点火時期（グラフＧ３参照）は、有効圧縮比がＣＲ１以上でＣＲ２未満では、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣよりも進角側に位置するので、この有効圧縮比の範囲では、比較的高い燃圧を用いると、スモークを発生させずに、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣを実現することができると言える。したがって、ＰＣＭ１０は、有効圧縮比がＣＲ１以上でＣＲ２未満では、燃料供給システム６２によって比較的高い燃圧（例えば１２０Ｍｐａ）に制御して、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣで点火するように点火プラグ２５を制御する。

他方で、有効圧縮比がＣＲ２以上になると、比較的高い燃圧においてスモークが発生しない点火時期（グラフＧ３参照）が、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣよりも遅角側に位置するので、この有効圧縮比の範囲では、スモークを発生させずに、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣを実現することが困難となる。したがって、ＰＣＭ１０は、有効圧縮比がＣＲ２以上になると、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣの実現よりも、スモーク抑制を優先して、ＭＢＴではなくグラフＧ３上の点火時期を適用するように点火プラグ２５を制御する。つまり、ＰＣＭ１０は、有効圧縮比がＣＲ２以上になると、スモークを確実に抑制すべく、有効圧縮比が高くなるにつれて、グラフＧ３に従って点火時期を圧縮上死点ＴＤＣから遅角させていく。

なお、上記した実施形態では、説明の便宜上、有効圧縮比に基づいて点火時期を制御する手法を述べたが、有効圧縮比に応じて適用する、グラフＧ１に従った燃料噴射開始時期に基づいて点火時期を制御してもよい。その場合、ＰＣＭ１０は、グラフＧ１に従った燃料噴射開始時期が、上記した有効圧縮比ＣＲ２に対応する所定タイミングＴ１（有効圧縮比ＣＲ２に対応するグラフＧ１上の燃料噴射開始時期）よりも進角側にある場合には、燃料供給システム６２によって燃圧を制御して、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣにおいて点火するように点火プラグ２５を制御する。具体的には、ＰＣＭ１０は、スモークを発生させずに、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣを適切に実現できるように、有効圧縮比が高くなるほど（つまりエンジン負荷が高くなるほど）、燃料供給システム６２によって燃圧を高くする制御を行って、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣにおいて点火するように点火プラグ２５を制御する。一方で、グラフＧ１に従った燃料噴射開始時期が所定タイミングＴ１よりも遅角側になると、ＰＣＭ１０は、ＭＢＴとしての圧縮上死点ＴＤＣの実現よりも、スモーク抑制を優先して、燃料噴射開始時期の所定タイミングＴ１からの遅角度合いに応じて、グラフＧ３に従って点火時期を遅角させるように点火プラグ２５を制御する。

また、上記した実施形態では、ＭＢＴとして圧縮上死点ＴＤＣを適用した場合を例に挙げたが、ＭＢＴとして圧縮上死点ＴＤＣを適用することに限定はされない。例えば、圧縮上死点ＴＤＣよりも若干遅角側の点火時期をＭＢＴとして適用してもよい。
更に他の例では、そのようなＭＢＴの代わりに、図５においてグラフＧ４で示すような、ノッキングを抑制する観点から定められた点火時期（以下では「ノッキング制約点火時期」と呼ぶ。）を適用するようにしてもよい。ノッキング制約点火時期は、当該点火時期よりも進角側で点火した場合にはノッキングが発生する可能性があり、当該点火時期よりも遅角側で点火した場合にはノッキングが発生しないような境界に相当するものである。
そのようなノッキング制約点火時期を用いた場合、ＰＣＭ１０は、スモークが発生しない範囲内で、ノッキング制約点火時期をできる限り適用するようにする。図５に示すように、スモークを発生させずにノッキング制約点火時期を実現することができる最大の有効圧縮比がＣＲ３（上記したＣＲ２に相当するものである）となり、この有効圧縮比ＣＲ３に対応する燃料噴射開始時期、つまり有効圧縮比ＣＲ３に対応するグラフＧ１上の燃料噴射開始時期がＴ２（上記した所定タイミングＴ１に相当するものであり、以下では「所定タイミングＴ２」と呼ぶ。）となる。
ＰＣＭ１０は、グラフＧ１に従った燃料噴射開始時期が所定タイミングＴ２よりも進角側にある場合には、燃料供給システム６２によって燃圧を制御して、ノッキング制約点火時期をおいて点火するように点火プラグ２５を制御する。具体的には、ＰＣＭ１０は、スモークを発生させずに、ノッキング制約点火時期を適切に実現できるように、有効圧縮比が高くなるほど（つまりエンジン負荷が高くなるほど）、燃料供給システム６２によって燃圧を高くする制御を行って、ノッキング制約点火時期において点火するように点火プラグ２５を制御する。一方で、グラフＧ１に従った燃料噴射開始時期が所定タイミングＴ２よりも遅角側になると、ＰＣＭ１０は、スモーク抑制を優先すべく、ノッキング制約点火時期ではなくグラフＧ３上の点火時期を適用するように点火プラグ２５を制御する。つまり、ＰＣＭ１０は、燃料噴射開始時期の所定タイミングＴ２からの遅角度合いに応じて、グラフＧ３に従って点火時期を遅角させる。

なお、上記した実施形態では、２つの燃圧（図５のグラフＧ２、Ｇ３参照）を用いて点火時期を制御していたが、つまり、燃料供給システム６２によって二段階に燃圧を切り替える制御を行っていたが、こうすることに限定はされず。燃料供給システム６２によって二段階以上の段階に若しくは連続的に燃圧を切り替えて点火時期を制御してもよい。その場合、図５に示したグラフＧ２、Ｇ３に対応するグラフが複数用いられることとなる。また、燃圧を４０Ｍｐａから１２０Ｍｐａまでの間で制御することに限定はされず、４０Ｍｐａ未満の圧力や、１２０Ｍｐａを超える圧力に、燃圧を制御してもよい。

次に、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の作用効果について説明する。

本実施形態によれば、ＰＣＭ１０は、プリイグニッションを抑制すべく、有効圧縮比が高くなるほど、燃料噴射開始から圧縮上死点ＴＤＣまでの時間が短くなるように燃料噴射開始時期を遅角させると共に、その燃料噴射開始時期が所定タイミングＴ１又はＴ２よりも遅角側になった場合に、スモークの発生の抑制を優先すべく、所定タイミングＴ１又はＴ２からの遅角度合いに応じて点火時期を遅角させる。これにより、プリイグニッション及びスモークの発生の両方を確実に抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、ＰＣＭ１０は、燃料噴射弁６７から燃料が噴射されてから、この燃料を含む混合気がピストン１４のキャビティ１４１を経由して点火プラグ２５に到達するまでの混合気形成時間に基づいて、点火時期を設定するので、燃焼室内での混合気の混合性を適切に確保し、スモークの発生を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態によれば、燃料噴射開始時期が所定タイミングＴ１又はＴ２よりも進角側である場合には、エンジン負荷が高くなるほど、燃料の燃圧を高くして、ＭＢＴを点火時期に適用するので、適切に燃費を確保することが可能となる。

１ エンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ
１４ ピストン
１４１ キャビティ
２５ 点火プラグ
６２ 燃料供給システム
６７ 燃料噴射弁

Claims (6)

1. 幾何学的圧縮比が１４以上である高圧縮比で運転されるエンジンの制御装置であって、
   エンジン回転数が所定回転数以下で且つエンジン負荷が所定負荷以上である低回転高負荷域において、圧縮行程の後半以降に燃料の噴射を開始するように燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、
   上記燃料噴射制御手段による燃料噴射開始時期が所定タイミングよりも遅角した場合に、上記燃料噴射開始時期の上記所定タイミングからの遅角度合に応じて、点火時期を遅角させるように点火プラグを制御する点火制御手段と、
   を有することを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 上記燃料噴射制御手段は、有効圧縮比が高くなるほど、燃料噴射開始から圧縮上死点までの時間が短くなるように、燃料噴射開始時期を遅角させていく、請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 上記点火制御手段は、上記燃料噴射制御手段による燃料噴射開始時期が上記所定タイミングよりも遅角した場合に、上記燃料噴射制御手段による燃料噴射開始時期と、上記燃料噴射弁から燃料が噴射されてから上記点火プラグ周りに混合気が形成されるまでの混合気形成時間とに基づいて、点火時期を設定する、請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
4. 上記エンジンは、下方に凹んだキャビティが上部に設けられたピストンを有し、上記燃料噴射弁は、このピストンのキャビティに向けて燃料を噴射し、
   上記混合気形成時間は、上記燃料噴射弁から燃料が噴射されてから、この燃料を含む混合気が上記ピストンのキャビティを経由して上記点火プラグに到達するまでの時間に基づき定められる、請求項３に記載のエンジンの制御装置。
5. 上記燃料噴射制御手段による燃料噴射開始時期が上記所定タイミングよりも進角側である場合に、点火時期のみを変化させた場合にエンジントルクが最大となる所定の点火時期を、上記点火制御手段による点火時期に適用すべく、エンジン負荷が高くなるほど、燃料の燃圧を高くする燃圧制御手段を更に有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
6. 上記燃料噴射制御手段は、火花点火をきっかけにした正常な燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火するプリイグニッションが生じないように、燃料噴射開始時期を設定する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。

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