JP2017180110A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】リーンモードからストイキモードへの切り替えに合わせて、ノックを抑えながらリーンモードに好適な温度からストイキモードに好適な温度へ冷却水温度を変化させることができる内燃機関を提供する。【解決手段】リーンモードでは、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第１温度域に入るようにエンジン水温調整装置を操作し、ストイキモードでは、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第１温度域よりも低温の第２温度域に入るようにエンジン水温調整装置を操作する。そして、リーンモードからストイキモードの切り替えの開始後にノックが検知された場合、吸気バルブの閉じタイミングを遅角するように可変動弁装置を操作する第１の操作と、オイル噴射量を増大させるようにオイル噴射装置を操作する第２の操作と、ＥＧＲ量を増大させるようにＥＧＲ装置を操作する第３の操作との中の何れか１つの操作を実行する。【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、理論空燃比で運転するストイキモードと、理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で運転するリーンモードとを運転域に応じて切り替える内燃機関に関する。

特開２００３−２３９７４７号公報には、内燃機関のノックの発生のし易さを表すノック指標を運転条件に対応付けて記憶しておき、運転条件から定まるノック指標に基づいて冷却水の流量を制御することによって、ノックを抑制する技術が開示されている。また、本出願の出願時点における技術水準を示す文献としては、上記特許文献の他にも、特開２０１１−１４９３１３号公報等が挙げられる。

特開２００３−２３９７４７号公報 特開２０１１−１４９３１３号公報

ところで、燃焼室の吸気側の壁面温度は、低温の吸気が吸気ポートを流れるために温度の上昇が抑えられている。これに対し、排気ポートを流れる排気は高温であるため、燃焼室の排気側の壁面温度は高温になりやすい。よって、燃焼室の排気側の壁面温度の上昇を抑えることは、ノックを抑制する上で特に必要なことであり、そのためには、エンジンヘッドの排気側を流れる冷却水の温度を適正に管理することが求められる。

冷却水の温度、詳しくは、エンジンヘッドの排気側を流れる冷却水の温度は、内燃機関の運転モードによってその適正値に違いがある。理論空燃比で運転するストイキモードでは、上記の通り、ノックを抑制できる温度が冷却水の好適な温度である。しかし、理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で運転するリーンモードでは、ノックを抑えることよりも寧ろ、内燃機関から出る未燃ＨＣを低減することが求められている。リーンモードは、燃焼温度が低いために排気温度が高くならず、触媒の浄化性能が十分に発揮され難いからである。未燃ＨＣの低減が目的の場合の冷却水の好適な温度は、ノックを抑制することが目的の場合の冷却水の好適な温度よりも高い。ゆえに、リーンモードにおける冷却水温度（エンジンヘッドの排気側を流れる冷却水の温度）は、ストイキモードにおける冷却水温度よりも高くすることが望ましい。

上記のごとくリーンモードとストイキモードとで冷却水温度に違いをもたせる場合、運転モードの切り替え時には、それに合わせて冷却水温度も変化させる必要がある。この時、冷却水温度を上昇させることは速やかに達成可能であるが、冷却水温度を低下させるには時間を要する。ゆえに、リーンモードからストイキモードへの切り替え時には、冷却水温度の低下の遅れによってノックが発生し易い状況が生じる。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、リーンモードからストイキモードへの切り替えに合わせて、ノックを抑えながらリーンモードに好適な温度からストイキモードに好適な温度へ冷却水温度を変化させることができる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関は、理論空燃比で運転するストイキモードと、理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で運転するリーンモードとを運転域に応じて切り替える内燃機関において、以下の装置を備える。

本発明に係る内燃機関は、吸気バルブの閉じタイミングを変更可能な可変動弁装置と、ピストンの裏面にオイルを噴射するオイル噴射装置と、排気の一部を吸気通路に再循環させるＥＧＲ装置と、エンジンヘッドの排気側を流れる冷却水の温度を調整するエンジン水温調整装置と、少なくともそれらの装置を操作する制御装置とを備える。制御装置は、内燃機関がリーンモードで運転する場合は、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第１温度域に入るようにエンジン水温調整装置を操作し、内燃機関がストイキモードで運転する場合は、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第１温度域よりも低温の第２温度域に入るようにエンジン水温調整装置を操作するように構成される。さらに、制御装置は、リーンモードからストイキモードの切り替えの開始後にノックが検知された場合、吸気バルブの閉じタイミングを遅角するように可変動弁装置を操作する第１の操作と、オイル噴射量を増大させるようにオイル噴射装置を操作する第２の操作と、ＥＧＲ量（ＥＧＲガスの導入量）を増大させるようにＥＧＲ装置を操作する第３の操作との中の何れか１つの操作を実行するように構成される。

このような構成によれば、リーンモードからストイキモードへの切り替えに合わせて、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が低下させられる。そのときにノックが発生した場合には、上記第１乃至第３の操作の中の何れか１つの操作が実行されることによって、ノックが抑えられる。具体的には、第１の操作が実行されたときには、吸気バルブの閉じタイミングの遅角によって実圧縮比が抑えられ、それによる筒内温度の低下によってノックが抑えられる。第２の操作が実行されたときには、ピストンの裏面に噴射されるオイル量が増大され、それによるピストン及びピストンが摺動するシリンダ壁面の冷却によってノックが抑えられる。そして、第３の操作が実行されたときには、ＥＧＲ量を増加させることによる燃焼の緩慢化によってノックが抑えられる。

第１温度域は、第１温度を中心とする誤差範囲で規定される温度域であってよく、誤差はゼロとしてもよい。第２温度域は、第１温度よりも低温の第２温度を上限とする温度域であってよい。よって、制御装置は、内燃機関がリーンモードで運転する場合は、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第１温度になるようにエンジン水温調整装置を操作し、内燃機関がストイキモードで運転する場合は、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第１温度よりも低温の第２温度以下になるようにエンジン水温調整装置を操作するように構成されてもよい。

また、制御装置は、上記のごとく第１乃至第３の操作の中の１つの操作を実行した後もノックが検知された場合、残り２つの操作の中の何れか１つの操作を実行するように構成されてもよい。つまり、１つの操作ではノックを十分に抑えることができなかった場合、追加で別の操作を実行してもよい。例えば、第１の操作を実行した後もノックが検知された場合、第２の操作或いは第３の操作を実行してもよい。これによれば、２つの操作を同時に実行する場合よりも燃費性能の低下は抑えられる。

さらに、制御装置は、上記のごとく第１乃至第３の操作の中の２つの操作を実行した後もノックが検知された場合、最後に残った操作を実行するように構成されてもよい。つまり、２つの操作を実行してもノックを十分に抑えることができなかった場合、追加で残る１つの操作を実行してもよい。例えば、第１の操作を実行した後もノックが検知された場合、第２の操作を実行し、第２の操作を実行した後もノックが検知された場合、さらに第２の操作を実行してもよい。これによれば、複数の操作を同時に実行する場合よりも燃費性能の低下は抑えられる。

さらに、制御装置は、第１乃至第３の操作の全ての操作を実行した後もノックが検知された場合、点火時期をＭＢＴ点火時期よりも遅角するように構成されてもよい。つまり、全ての操作を実行してもノックを十分に抑えることができなかった場合、点火時期をＭＢＴ点火時期よりも遅角してもよい。これによれば、最終的にはノックを確かに抑えることができるし、最初から点火時期の遅角を行う場合よりも燃費性能の低下は抑えられる。

ただし、ノックを確実に抑えることを優先するのであれば、第１乃至第３の操作の中の２つの操作を実行した後もノックが検知された場合、点火時期をＭＢＴ点火時期よりも遅角することを選択してもよい。ノックを確実に抑えることをより優先するのであれば、第１乃至第３の操作の中の１つの操作を実行した後もノックが検知された場合、点火時期をＭＢＴ点火時期よりも遅角することを選択してもよい。

以上述べたとおり、本発明に係る内燃機関によれば、リーンモードからストイキモードへの切り替えに合わせて、ノックを抑えながらリーンモードに好適な温度からストイキモードに好適な温度へ冷却水温度を変化させることができる。

実施の形態の内燃機関の全体の構成を示す図である。 実施の形態の内燃機関の燃焼室周りの構成を示す図である。 実施の形態の燃料噴射量制御及び点火時期制御について説明するための図である。 目標吸気温度及びＨＴ冷却系の目標エンジン水温をエンジン回転速度及びトルクに関連付けるマップのイメージを示す図である。 実施の形態の過渡ノック制御の制御フローを示すフローチャートである。 実施の形態の過渡ノック制御が吸気温度制御及びエンジン水温制御とともに実行された場合の内燃機関の動作の一例を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．内燃機関の全体の構成
図１は、実施の形態の内燃機関の全体の構成を示す概念図である。内燃機関（以下、単にエンジンという）１は、エンジンブロック３と、エンジンブロック３上に図示しないガスケットを介して配置されるエンジンヘッド２とを有している。

エンジンヘッド２には、吸気通路７０と排気通路８０とが接続されている。吸気通路７０には、その上流からエンジンヘッド２に向かって、コンプレッサ９２、インタークーラ７２、及び電子制御式スロットル７４がこの順で配置されている。スロットル７４よりも下流の吸気通路７０には、エンジンヘッド２に導入される吸気の温度を測定するための吸気温度センサ７６が取り付けられている。排気通路８０には、エンジンヘッド２から下流に向かって、タービン９４及び三元触媒８２がこの順で配置されている。排気通路８０のさらに下流には、図示しないＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）及び選択還元型触媒（ＳＣＲ）がこの順で配置されている。

コンプレッサ９２とタービン９４はターボ過給機９０を構成する。コンプレッサ９２とタービン９４は、軸受９８によって回転自由に支持された回転軸９６によって連結され、一体となって回転する。なお、排気通路８０には、図示はしていないが、タービン９４をバイパスするタービンバイパス通路と、タービンバイパス通路を開閉するウエストゲートバルブとが設けられている。

エンジン１は、排気通路８０から吸気通路７０へ排気の一部を再循環させるＥＧＲ装置１００を備える。ＥＧＲ装置１００は、ＥＧＲ通路１０２、ＥＧＲクーラ１０４、及びＥＧＲバルブ１０６から構成される。ＥＧＲ通路１０２は、三元触媒８２よりも下流の排気通路８０とコンプレッサ９２よりも上流の吸気通路７０とを接続する。ＥＧＲクーラ１０４はＥＧＲ通路１０２に設けられ、ＥＧＲ通路１０２を流れる排気（ＥＧＲガス）を冷却する。ＥＧＲバルブ１０６は、ＥＧＲガスの流れの方向においてＥＧＲクーラ１０４よりも下流のＥＧＲ通路１０２に設けられている。

エンジン１は、エンジン１の本体及び構成部品を冷却する２系統の冷却システム３０，５０を備える。冷却システム３０，５０はともに冷却水が循環する閉回路として構成され、冷却システム３０と冷却システム５０とで循環する冷却水の温度を異ならせることができる。以下、相対的に低温の冷却水を循環させる冷却システム３０をＬＴ冷却システムと称し、相対的に高温の冷却水を循環させる冷却システム５０をＨＴ冷却システムと称する。また、ＬＴ冷却システム３０において回路内を循環する冷却水をＬＴ冷却水と称し、ＨＴ冷却システム５０において回路内を循環する冷却水をＨＴ冷却水と称する。図１において、ＬＴ冷却システム３０を構成するＬＴ冷却水の流路（以下、ＬＴ流路という）は二重線で描かれ、ＨＴ冷却システム５０を構成するＨＴ冷却水の流路（以下、ＨＴ流路という）は二重破線で描かれている。なお、ＬＴはLow Temperatureの略であり、ＨＴはHigh Temperatureの略である。

ＬＴ冷却システム３０は、ＬＴ冷却水の循環回路を構成する第１ＬＴ流路３２〜第４ＬＴ流路３８と、ＬＴ冷却水を循環させるための電動ウォータポンプ４６とを備える。第１ＬＴ流路３２はインタークーラ７２内を通り、第２ＬＴ流路３４はエンジンヘッド２内の吸気側を通り、第３ＬＴ流路３６はターボ過給機９０の軸受９８を通っている。これら第１ＬＴ流路３２〜第３ＬＴ流路３６は、それぞれ、その両端を第４ＬＴ流路３８の両端に並列に接続されている。第４ＬＴ流路３８にはラジエータ４０が配置されている。第４ＬＴ流路３８は、第１ＬＴ流路３２〜第３ＬＴ流路３６のそれぞれとの間でＬＴ冷却水が循環する回路を形成している。電動ウォータポンプ４６は、第４ＬＴ流路３８のラジエータ４０より下流に設けられている。電動ウォータポンプ４６の吐出量、すなわち、回路内を循環するＬＴ冷却水の流量は、モータの出力を調整することによって任意に変更することができる。

第１ＬＴ流路３２を流れるＬＴ冷却水は、インタークーラ７２内において、インタークーラ７２を通過する吸気との間で熱交換を行う。第２ＬＴ流路３４は、エンジンヘッド２内の各気筒の吸気ポートの近傍を通るように（好ましくは吸気ポートを囲むように）設けられている。第２ＬＴ流路３４を流れるＬＴ冷却水は、エンジンヘッド２を介して吸気ポートを通過する吸気との間で熱交換を行う。ＬＴ冷却水の温度が吸気の温度よりも低温であれば、熱交換によって吸気は冷却されるが、ＬＴ冷却水の温度が吸気の温度よりも高温であれば、熱交換によって吸気は加温される。これらの部位での熱交換によって、燃焼室内に入る吸気の温度はＬＴ冷却水の温度に合わせて調整される。第３ＬＴ流路３６を流れるＬＴ冷却水は、ターボ過給機９０の軸受９８との間で熱交換を行い、軸受９８の過熱を抑制する。

なお、この実施の形態では、第１ＬＴ流路３２と第２ＬＴ流路３４は並列に接続されているが、直列に接続されていてもよい。すなわち、インタークーラ７２を通ったＬＴ冷却水がエンジンヘッド２内の吸気側を通るように流路を配管してもよい。同様に、軸受９８を通る第３ＬＴ流路３６も、第１ＬＴ流路３２や第２ＬＴ流路３４と直列に接続されていてもよい。

ＨＴ冷却システム５０は、ＨＴ冷却水の循環回路を構成する第１ＨＴ流路５２〜第６ＨＴ流路６２と、ＨＴ冷却水を循環させるための電動ウォータポンプ６４と、循環回路内のＨＴ冷却水の流れを制御するための多機能弁６６を備える。第１ＨＴ流路５２はエンジンヘッド２内の排気側を通り、第２ＨＴ流路５４はエンジンブロック３内を通っている。これら第１ＨＴ流路５２及び第２ＨＴ流路５４は、それぞれに多機能弁６６の別々の吸入ポートに接続される。

多機能弁６６は、その詳細については後述するが、２つの吸入ポートと４つの排出ポートとを有している。多機能弁６６の４つの排出ポートには、第３ＨＴ流路５６〜第６ＨＴ流路６２が接続されている。第３ＨＴ流路５６にはラジエータ６０が配置され、第４ＨＴ流路５８はインタークーラ７２内を通り、第５ＨＴ流路５９はＥＧＲクーラ１０４内を通っている。第６ＨＴ流路６２はラジエータ６０、インタークーラ７２及びＥＧＲクーラ１０４をバイパスしている。これら第３ＨＴ流路５６〜第６ＨＴ流路６２は、電動ウォータポンプ６４の吸入ポートに接続されている。電動ウォータポンプ６４の吐出ポートには、第１ＨＴ流路５２及び第２ＨＴ流路５４が接続されている。これにより、第１流路５２及び第２ＨＴ流路５４と、第３ＨＴ流路５６〜第６ＨＴ流路６２とによって、ＨＴ冷却水が循環する回路が形成されている。回路内を循環するＨＴ冷却水の流量は、電動ウォータポンプ６４のモータの出力を調整することによって任意に変更することができる。

ＨＴ冷却水の循環回路を構成する流路のうち、エンジン１の本体或いは構成部品との間で熱交換が行われる流路は、第１ＨＴ流路５２、第２ＨＴ流路５４、第４ＨＴ流路５８、及び第５ＨＴ流路５９である。第１ＨＴ流路５２は、エンジンヘッド２内において各気筒の燃焼室の排気側の壁面近傍を通るように設けられている。前述の第２ＬＴ流路３４が吸気ポートの近傍に局所的に設けられたものであるのに対し、第１ＨＴ流路５２はエンジンヘッド２の全体を通って最終的に排気側からエンジンヘッド２の外に出るように設けられている。第１ＨＴ流路５２のエンジンヘッド２の出口には、エンジンヘッド２の出口におけるＬＴ冷却水の温度を測定するためのエンジン水温センサ６８が設けられている。エンジン水温センサ６８によって測定される温度は、燃焼室の排気側の壁面温度に対応している。第２ＨＴ流路５４は、エンジンブロック３に形成されたシリンダの周壁を囲むウォータジャケットの主要部を構成しシリンダの周壁を全体的に冷却している。第４ＨＴ流路５８は、インタークーラ７２内において、インタークーラ７２を通過する吸気との間で熱交換を行う。前述の第１ＬＴ流路３２がインタークーラ７２内において吸気の流れ方向の下流側に設けられているのに対し、第４ＨＴ流路５８はインタークーラ７２内において吸気の流れ方向の上流側に設けられている。つまり、インタークーラ７２では、まず、ＨＴ冷却水と吸気との間で熱交換が行われ、次に、ＬＴ冷却水と吸気との間で熱交換が行われる。第５ＨＴ流路５９は、ＥＧＲクーラ１０４内において、ＥＧＲクーラ１０４を通過するＥＧＲガスとの間で熱交換を行う。

多機能弁６６は、循環回路内のＨＴ冷却水の温度（エンジン水温センサ６８によって測定されるエンジン水温）に基づいて、２つの吸入ポートに流れ込むＨＴ冷却水の比率、すなわち、第１ＨＴ流路５２を流れるＨＴ冷却水と、第２ＨＴ流路５４を流れるＨＴ冷却水との比率を調整する。例えば、ＨＴ冷却水の温度が低い冷間始動時には、エンジンブロック３を通る第２ＨＴ流路５４の流通を遮断し、エンジンヘッド２を通る第１ＨＴ流路５２の流通のみを許容することが行われる。また、多機能弁６６は、ＨＴ冷却水の温度に基づいて、４つの排出ポートから流れ出すＨＴ冷却水の比率、すなわち、第３ＨＴ流路５６を流れるＨＴ冷却水と、第４ＨＴ流路５８を流れるＨＴ冷却水と、第５ＨＴ流路５９を流れるＨＴ冷却水と、第６ＨＴ流路６２を流れるＨＴ冷却水との比率を調整する。例えば、ＨＴ冷却水の温度が低い冷間始動時には、ラジエータ６０が配置された第３ＨＴ流路５６の流通を遮断し、第４ＨＴ流路５８或いは第６ＨＴ流路６２にＨＴ冷却水を流通させることが行われる。

エンジン１は、制御装置１２０を備える。制御装置１２０は、エンジン１が備える様々な装置及びアクチュエータを操作することにより、エンジン１の運転を制御する。制御装置１２０は、少なくとも１つのＣＰＵ、少なくとも１つのＲＯＭ、少なくとも１つのＲＡＭを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。ただし、制御装置１２０は、複数のＥＣＵから構成されていてもよい。制御装置１２０では、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＣＰＵで実行することで、エンジン制御に係る様々な機能が実現される。

２．冷却システムの操作
制御装置１２０により操作される対象には、２つの冷却システム３０，５０が含まれる。吸気通路７０からエンジンヘッド２に供給され、燃焼室に入る吸気の温度を制御するため、２つの冷却システム３０，５０の操作が行われる。つまり、制御装置１２０は、燃焼室に入る吸気の温度を第１の制御量（制御すべき状態量）として、冷却システム３０，５０を操作する。

具体的には、ターボ過給機９０による過給時のように吸気温度が高温の場合、制御装置１２０は、インタークーラ７２によって吸気を冷却するように冷却システム３０，５０を操作する。詳しくは、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ４６を操作して、第１ＬＴ流路３２を流れるＬＴ冷却水の流量を調整するとともに、ＨＴ冷却システム５０の多機能弁６６を操作して、エンジンヘッド２或いはエンジンブロック３から出てきた高温のＨＴ冷却水（ラジエータ６０で冷却されていないＨＴ冷却水）の第４ＨＴ流路５８への流通を遮断する。これらの操作により、第１ＬＴ流路３２を流れるＬＴ冷却水の流量の増減に応じて、インタークーラ７２を通過する吸気に対する冷却量は増減し、吸気の温度が調整される。なお、インタークーラ７２で冷却された吸気は、さらに、エンジンヘッド２内で吸気ポートを通過する際、第２ＬＴ流路３４を流れるＬＴ冷却水との間での熱交換によっても冷却される。

逆に、冷間始動時のように吸気温度が低温の場合、制御装置１２０は、ＨＴ冷却システム５０の多機能弁６６を操作して、第４ＨＴ流路５８へのＨＴ冷却水の流通を許容する。第４ＨＴ流路５８を流れる高温のＨＴ冷却水によってインタークーラ７２を通過する吸気は加熱され、加熱によって昇温された吸気がインタークーラ７２から出てくる。また、制御装置１２０は、ＬＴ冷却システム３０に対する操作として、電動ウォータポンプ４６を停止し、ＬＴ冷却水（ラジエータ４０で冷却された低温のＬＴ冷却水）の第１ＬＴ流路３２への流量を遮断する。これらの操作により、第４ＨＴ流路５８を流れるＨＴ冷却水の流量の増減に応じて、インタークーラ７２を通過する吸気に対する加熱量は増減し、吸気の温度が調整される。

また、制御装置１２０は、エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度（以下、この温度をエンジン水温ともいう）を第２の制御量として、ＨＴ冷却システム５０を操作することも行う。エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度は、エンジンヘッド２の出口に設けられたエンジン水温センサ６８により測定される温度によって表される。エンジン水温センサ６８により測定される温度と目標温度との間に差がある場合、制御装置１２０は、電動ウォータポンプ６４を操作して、第１ＨＴ流路５２を流れるＬＴ冷却水の流量を調整するとともに、多機能弁６６を操作して、第３ＨＴ流路５６へ流れてラジエータ６０で冷却されるＬＴ冷却水の比率を調整する。これらの操作により、第１ＨＴ流路５２を流れるＬＴ冷却水の流量の増減に応じて、また、ラジエータ６０で冷却されるＬＴ冷却水の比率の増減に応じて、エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度が調整される。

上記のごとく、エンジン１では、エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度を制御量としてＨＴ冷却システム５０の操作が行われる。この操作は、本出願の請求項１に記載の“エンジン水温調整装置”に対する操作に関係する。この実施の形態では、ＨＴ冷却システム５０が、請求項１に記載の“エンジン水温調整装置”に該当する。

３．燃焼室周りの構成
次に、図２を用いてエンジン１の燃焼室周りの構成について説明する。図２には、エンジン１を構成する要素がクランク軸に垂直な１つの平面上に投影して描かれている。エンジン１は、複数のシリンダ４を有する火花点火式の多気筒エンジンである。シリンダ４の数と配置に限定はない。エンジンブロック３のシリンダ４内にはその軸方向に往復動するピストン８が配置されている。エンジンヘッド２の下面には、シリンダ４の上部空間であるペントルーフ形状の燃焼室６が形成されている。

エンジンヘッド２には、燃焼室６に連通する吸気ポート１０及び排気ポート１２が形成されている。吸気ポート１０の燃焼室６に連通する開口部には、吸気バルブ１４が設けられ、排気ポート１２の燃焼室６に連通する開口部には、排気バルブ１６が設けられている。吸気バルブ１４は、その開特性を変更することができる可変動弁装置（以下、ＩＮ−ＶＶＴという）１５によって駆動される。排気バルブ１６は、その開特性を変更することができる可変動弁装置（以下、ＥＸ−ＶＶＴという）１７によって駆動される。ＩＮ−ＶＶＴ１５は、バルブタイミングの変更或いは作用角の変更によって、少なくとも吸気バルブ１４の閉じタイミング（以下、ＩＶＣという）を変更可能に構成されている。ＥＸ−ＶＶＴ１７による開特性の変更方法には限定はない。

図示はされていないが、吸気ポート１０は、エンジンヘッド２の側面に形成された入口から燃焼室６に連通する開口部に向かう途中で二股に分かれている。吸気ポート１０が二股に分かれる部分の上流には、吸気ポート１０の内部に燃料を噴射するポート噴射弁２４が設けられている。二股に分かれた吸気ポート１０の間であって、吸気ポート１０の下方には、先端が燃焼室６を臨むように、燃焼室６の内部に燃料を噴射する筒内噴射弁２６が設けられている。また、燃焼室６の頂部付近には、点火プラグ２０と、燃焼圧を計測するための燃焼圧センサ２２が設けられている。

エンジンブロック３には、オイル噴射装置１３０のオイル噴射ノズル１３２が取り付けられている。オイル噴射ノズル１３２は、ピストン８の裏面に向けてオイルが噴射されるように、その位置及び角度が調整されている。オイル噴射ノズル１３２には、図示しないオイルポンプが組み上げたオイルをオイル噴射ノズル１３２に供給する油路１３４が接続されている。この油路１３４には、オイル噴射ノズル１３２から噴射されるオイルの量（単位時間当たりの量、以下、オイル噴射量という）を調整するためのオイル制御バルブ（ＯＣＶ）１３６が設けられている。

エンジン１は、リーンモードによる運転と、ストイキモードによる運転とを切り替え可能なエンジンである。リーンモードでは、均質性の高い混合気が得られるポート噴射によって、或いはポート噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせによって燃料リーンな空燃比（例えば、２５程度の空燃比）による運転、すなわち、リーン燃焼による運転が行われる。詳しくは、エンジン１で実現されるリーン燃焼は、燃料濃度の高い混合気の層を点火プラグ２０の周辺に形成する成層リーン燃焼ではなく、燃焼室６の全体に均質な燃料濃度の混合気を分布させる均質リーン燃焼である。また、リーンモードでは、ＥＧＲ装置１００によるＥＧＲガスの導入は行われず、新気のみによるリーン燃焼が行われる。ストイキモードでは、筒内噴射によって、或いは、筒内噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせによって理論空燃比による運転、すなわち、ストイキ燃焼による運転が行われる。ただし、理論空燃比による運転とは、必ずしも運転空燃比が常に理論空燃比ぴったりであることを意味しない。本明細書においては、運転空燃比が理論空燃比に対して多少リッチ側或いはリーン側にずれていることも、運転空燃比が理論空燃比を中心に小さな振幅で振動していることも、理論空燃比による運転に含まれる。ストイキモードは、リーンモードが選択される運転域よりも高負荷の運転域で選択される。また、この実施の形態のストイキモードでは、ＥＧＲ装置１００によるＥＧＲが実行される。ゆえに、以下の説明では、ＥＧＲが実行されないリーンモードとの区別のため、ＥＧＲが実行されるストイキモードを特にストイキＥＧＲモードと称す。

リーンモード及びストイキＥＧＲモードを実現するための装置及びアクチュエータの操作は、制御装置１２０によって行われる。制御装置１２０には、燃焼圧センサ２２によって得られる燃焼圧データが取り込まれている。この燃焼圧データは、クランク角センサ１２２から取り込まれるクランク角信号とともに、次に説明する燃料噴射量制御及び点火時期制御に用いられる。また、制御装置１２０には、エンジンブロック３に取り付けられ、ノック信号（ノックが発生したときに出る特定の周波数の信号）を検出するノックセンサ１２４が接続されている。ノックセンサ１２４が検出したノック信号は、ノックを抑制するためのノック制御に用いられる。ただし、ノックセンサ１２４は必須ではなく、燃焼圧センサ２２によって得られる燃焼圧データからノックを検知し、それをノック制御に用いることもできる。ノック制御の内容については後述する。なお、制御装置１２０が複数のＥＣＵから構成される場合、燃料噴射量制御や点火時期制御を行うＥＣＵと、前述の吸気温度制御やエンジン水温制御を行うＥＣＵとは別々のＥＣＵであってもよい。また、ノック制御を行うＥＣＵもそれらＥＣＵとは別々のＥＣＵであってもよい。

４．燃焼圧データに基づく燃料噴射量制御及び点火時期制御
制御装置１２０は、リーンモードによる運転時には、燃焼圧センサ２２によって得られる燃焼圧データに基づいて燃料噴射量制御と点火時期制御とを行なっている。以下、その詳細について図３を用いて説明する。

制御装置１２０は、燃焼圧センサ２２より得た筒内圧データを用いて、任意のクランク角度θでの筒内の発熱量Ｑを式（１）に従って算出する。ただし、式（１）において、Ｐは筒内圧力、Ｖは筒内容積、κは筒内ガスの比熱比である。また、Ｐ_０およびＶ_０は、計算開始点θ_０（想定される燃焼開始点に対して余裕をもって定められた圧縮行程中の所定クランク角度）での筒内圧力および筒内容積である。

燃焼期間を含む所定クランク角期間の各クランク角度θにおける発熱量Ｑを算出することができたら、次に、任意のクランク角度θにおける燃焼質量割合（以下、ＭＦＢという）を式（２）に従って算出する。ただし、式（２）において、θ_staは燃焼開始点であり、θ_finは燃焼終了点である。

図３は、上記の式（２）に従って算出されたクランク角に対するＭＦＢの波形を表した図である。点火時期ＳＡにて混合気に点火を行った後、ＭＦＢが１０％となる時のクランク角度ＣＡ１０までのクランク角期間（以下、この期間をＳＡ−ＣＡ１０という）は、着火遅れを代表するパラメータであり、燃焼した混合気の空燃比（特に、リーン燃焼が可能な限界空燃比）との相関性が高いことが知られている。ＳＡ−ＣＡ１０が目標値になるように燃料噴射量をフィードバック制御すれば、空燃比を目標空燃比（リーン限界空燃比）に自ずと近づけることができるようになる。制御装置１２０による燃料噴射量制御では、ＭＦＢの波形から実際のＳＡ−ＣＡ１０を計算し、目標ＳＡ−ＣＡ１０と実際ＳＡ−ＣＡ１０との差に基づいて燃料噴射量を補正することが行われる。なお、エンジン回転速度が変わると、１クランク角度当たりの時間が変化するため、目標ＳＡ−ＣＡ１０は、少なくともエンジン回転速度に応じて設定されていることが好ましい。

また、ＭＦＢが５０％となる時のクランク角度ＣＡ５０は燃焼重心位置に相当する。ＣＡ５０は点火時期ＳＡによって変化する。実現されるトルクが最大となるときの燃焼重心位置にＣＡ５０が一致していれば、そのときの点火時期ＳＡはＭＢＴであると言える。制御装置１２０による点火時期制御では、ＭＦＢの波形から実際のＣＡ５０を計算し、目標ＣＡ５０と実際ＣＡ５０との差に基づいて基本点火時期を補正することが行われる。目標ＣＡ５０も、少なくともエンジン回転速度に応じて設定されていることが好ましい。

上記のごとく、この実施の形態では、燃焼圧センサ２２によって得られる燃焼圧データに基づいてＳＡ−ＣＡ１０とＣＡ５０が計算され、ＳＡ−ＣＡ１０に基づいて燃料噴射量制御が行われるとともに、ＣＡ５０に基づいて点火時期制御が行われる。なお、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量制御は運転モードによらず行うことができるが、この実施の形態では、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量制御はリーンモードによる運転時に行われる。ストイキＥＧＲモードによる運転時には、図示しない空燃比センサ或いは酸素濃度センサの出力に基づく空燃比フィードバック制御が行われるようになっている。

５．吸気温度制御及びエンジン水温制御
ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量制御は、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との間には強い相関があるとの前提に立つが、燃焼室６内に入る吸気の温度は、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係に影響する。ゆえに、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量制御の精度を担保するためには、吸気温度を一定にすることが求められる。しかし、吸気温度はそれ自体が燃焼に影響するパラメータであるので、目標とする吸気温度はどのような温度でもよいと言うものではない。また、エンジン水温制御の制御量であるエンジン水温（エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度）も燃焼に影響するパラメータである。よって、エンジン水温についても吸気温度と同様にばらつきがないことが好ましい。

ここで、目標とする吸気温度及びエンジン水温の設定について検討するにあたり、リーンモードとストイキＥＧＲモードのそれぞれにおける課題について以下にまとめて記載する。

リーンモードには、少なくとも次の３つの課題がある。第１の課題は、燃焼のロバスト性を向上させることである。これは、均質リーン燃焼は、混合気の燃料濃度が全体的に薄いため、ストイキ燃焼や成層リーン燃焼に比較して、燃焼を維持する上で外乱に対する制約が多いことによる課題である。第２の課題は、未燃ＨＣの発生を低減させることである。これは、リーン燃焼はストイキ燃焼に比較して燃焼温度が低いため、燃焼室６のクエンチエリアから未燃ＨＣが発生しやすいことによる課題である。そして、第３の課題は、上限空気量を増大させることである。さらなる燃費性能の向上のため、上限空気量を増大させてリーンモードによる運転領域を高負荷側に拡大することが求められている。

ストイキＥＧＲモードには、少なくとも次の３つの課題がある。第１の課題は、燃焼のロバスト性を向上させることである。これは、ストイキＥＧＲモードでは、燃費の改善のために多量のＥＧＲガスが導入されるところ、導入されるＥＧＲ量にはサイクルごとのばらつきがあるために燃焼が不安定になりやすいことによる課題である。第２の課題は、ＥＧＲガスに含まれる水蒸気の結露による凝縮水の発生を抑えることである。これは、ＥＧＲガスには硫黄成分や炭化水素成分が含まれているため、それらが凝縮水に溶けることで凝縮水が酸性化し、エンジン１を腐食或いは劣化させるおそれがあることによる課題である。そして、第３の課題は、高負荷時のノックの発生を抑えることである。これは、負荷が高くなると圧縮端温度が上昇し、ノックが発生しやすくなることによる課題である。

以上の課題を踏まえて検討した結果、この実施の形態では、リーンモードとストイキＥＧＲモードのそれぞれにおける吸気温度（燃焼室６内に入る吸気の温度）及びエンジン水温（エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度）の各目標値を以下のように設定することにした。

まず、吸気温度の目標値の設定について説明する。上記の課題のうち、ストイキＥＧＲモードにおける吸気温度に特に関係するのはストイキＥＧＲモードの第１の課題と第２の課題であり、リーンモードにおける吸気温度に特に関係するのはリーンモードの第１の課題と第３の課題である。各モードにおける吸気温度の目標値は、これらの課題を総合的に達成するための最適吸気温度に設定される。

この実施の形態におけるストイキＥＧＲモードの最適吸気温度は４５℃である。この温度は、標準的な運転条件（この運転条件には、気圧、外気温度、湿度、ＥＧＲ率等が含まれる）における露点温度に相当する温度である。ストイキＥＧＲモードでは、吸気温度センサ７６によって測定される吸気温度が最適吸気温度である４５℃に維持されるように、２つの冷却システム３０，５０が操作される。

凝縮水が発生するリスクを低減する目的では、ストイキＥＧＲモードにおける吸気温度は高いほどよい。しかし、吸気温度が高くなるほど吸入効率は低下してしまう。上記のように吸気温度を露点温度に制御することで、吸入効率の低下を最小限に抑えつつ凝縮水の発生リスクを抑えることができる。ただし、露点温度は運転条件によって変化するが、ストイキＥＧＲモードにおける吸気温度の目標値は標準運転条件での露点温度に固定される。つまり、露点温度が変化したとしても、吸気温度を露点温度に応じて変化させることはしない。これは、ストイキＥＧＲモードでは多量のＥＧＲガスが導入され、ＥＧＲ量のサイクルごとのばらつきが燃焼に影響を与えるところ、吸気温度にもばらつきがあると燃焼の不安定を招くおそれがあるからである。要するに、燃焼のロバスト性を向上させるべく、ストイキＥＧＲモードでも吸気温度を一定に維持することにしている。なお、吸気温度は最適吸気温度丁度に維持されることが好ましいが、最適吸気温度に対するある程度の誤差（例えば１℃程度）は許容してもよい。つまり、最適吸気温度を中心とする誤差範囲で規定される温度域に吸気温度が入るように、吸気温度の調整を行うようにしてもよい。

一方、リーンモードの最適吸気温度は、ストイキＥＧＲモードの最適吸気温度よりも低温である。再循環を行わないリーンモードでは、ＥＧＲ量がサイクルごとにばらつくことによる燃焼安定性の低下が生じない。このため、ストイキＥＧＲモードよりも相対的に低温の吸気を燃焼室内に供給することができる。この実施の形態におけるリーンモードの最適吸気温度は３５℃である。リーンモードでは、吸気温度センサ７６によって測定される吸気温度が最適吸気温度である３５℃に維持されるように、２つの冷却システム３０，５０が操作される。

吸気温度を最適吸気温度に維持することで、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量制御の精度が向上し、空燃比の目標空燃比に対するずれを抑えることができる。それと同時に、吸入効率の向上による上限空気量の増大によって、リーンモードによる運転領域を高負荷側に拡大することもできる。なお、吸気温度は最適吸気温度丁度に維持されることが好ましいが、最適吸気温度に対するある程度の誤差（例えば１℃程度）は許容してもよい。つまり、最適吸気温度を中心とする誤差範囲で規定される温度域に吸気温度が入るように、吸気温度の調整を行うようにしてもよい。

次に、エンジン水温の目標値の設定について説明する。上記の課題のうち、ストイキＥＧＲモードにおけるエンジン水温に特に関係するのはストイキＥＧＲモードの第３の課題であり、リーンモードにおけるエンジン水温に特に関係するのはリーンモードの第２の課題である。各モードにおけるエンジン水温の目標値は、これらの課題を総合的に達成するための最適エンジン水温に設定される。

この実施の形態におけるリーンモードの最適エンジン水温（第１温度）は９５℃である。リーンモードでは、エンジン水温センサ６８により測定されるエンジン水温が最適エンジン水温である９５℃に維持されるように、ＨＴ冷却システム５０が操作される。

エンジン水温を最適エンジン水温に維持することで、燃焼室６の壁面温度、特に、排気側の壁面温度を高めることができるので、燃焼室６のクエンチエリアから発生する未燃ＨＣを低減することができる。リーン燃焼はストイキ燃焼に比較して燃焼温度が低く、排気温度が高くならないため、触媒の浄化性能が十分に発揮され難い。このため、エンジン１から出る未燃ＨＣ自体を低減することが求められている。なお、エンジン水温は最適エンジン水温丁度に維持されることが好ましいが、最適エンジン水温に対するある程度の誤差（例えば１℃程度）は許容してもよい。つまり、最適エンジン水温を中心とする誤差範囲で規定される温度域（第１温度域）にエンジン水温が入るように、エンジン水温の調整を行うようにしてもよい。

一方、ストイキＥＧＲモードの最適エンジン水温には温度幅があるが、その上限温度はリーンモードの最適エンジン水温よりも低温である。ストイキＥＧＲモードでは、燃焼温度が高く排気温度も高いため、クエンチエリアから未燃ＨＣが発生したとしても十分に機能した触媒によって浄化することができる。このため、リーンモードよりも相対的に低温の冷却水をエンジンヘッドの排気側へ流すことができる。この実施の形態におけるストイキＥＧＲモードの最適エンジン水温は、８８℃を上限温度（第２温度）とする温度範囲（第２温度域）内の温度、つまり、８８℃以下の温度である。ただし、８８℃以下の温度とは、いくら低温でも許容されるという意味ではなく、８８℃が好ましいが８８℃よりも低くなることも多少は許容されるという意味である。リーンモードでは、エンジン水温センサ６８により測定されるエンジン水温が８８℃以下の温度に維持されるように、ＨＴ冷却システム５０が操作される。

ストイキＥＧＲモードのエンジン水温をリーンモードのそれよりも低くするのは、ノックの発生を抑えるためである。エンジン水温を低くすると燃焼室６のクエンチエリアから発生する未燃ＨＣは増大しやすくなるが、ストイキ燃焼により高温となった排気の供給を受けて十分に機能した触媒によって未燃ＨＣを浄化することができる。なお、ストイキＥＧＲモードの最適エンジン水温には温度幅が設けられているが、燃焼のロバスト性を向上させる上では、エンジン水温は一定温度に維持されることが好ましい。

以上が、リーンモードとストイキＥＧＲモードのそれぞれにおける吸気温度及びエンジン水温の各目標値に関する説明である。上記のごとく設定された吸気温度及びエンジン水温の各目標値は、制御装置１２０のＲＯＭに記憶されたマップにおいて、エンジン回転速度及びトルクに関連付けて記憶されている。図４は吸気温度及びエンジン水温の各目標値をエンジン-回転速度及びトルクに関連付けるマップのイメージを示す図である。図４中にＨＴと表記している温度がエンジン水温の目標値であり、ＬＴと表記している温度が吸気温度の目標値である。吸気温度制御及びエンジン水温制御を含むエンジン１の各種制御は、エンジン回転速度とトルクとを軸とする２次元平面上に設定された運転域にしたがって行われる。

図４には、エンジン１の運転域として、リーンモードによる運転を行うリーン領域と、ストイキＥＧＲモードによる運転を行うストイキＥＧＲ領域とが設定されている。リーン領域では、上記のごとく吸気温度の目標値は３５℃に設定され、エンジン水温の目標値は９５℃に設定される。ストイキＥＧＲ領域では、吸気温度の目標値は４５℃以上に設定され、エンジン水温の目標値は８８℃以下に設定される。吸気温度の目標値の４５℃以上とは、通常は４５℃が目標値であるが、高負荷域では吸気温度が４５℃より高くなることが許容されることを意味する。

吸気温度制御及びエンジン水温制御は、上記のごとく設定された吸気温度及びエンジン水温の各目標値に基づいて実施される。

６．ノック制御
次に、ノックを抑制するためのノック制御について説明する。ノック制御は、ノックセンサ１２４の信号、或いは、燃焼圧センサ２２の信号からノックを検知した場合に実行される。制御装置１２０により実行されるノック制御には、通常ノック制御と過渡ノック制御とが含まれる。

通常ノック制御は、ノックが発生しない限りにおいて点火時期をＭＢＴ点火時期に近づける制御、すなわち、点火時期をトレースノック点火時期に調整する制御である。通常ノック制御では、細分化された運転領域ごとにトレースノック点火時期を学習するノック学習が行われる。ただし、通常ノック制御は、ストイキＥＧＲモードによる運転時にのみ行われ、リーンモードによる運転時には行われない。リーンモードは調整可能な点火時期の幅が狭く、点火時期をＭＢＴ点火時期から遅角することは実質的に不可になっている。ゆえに、リーンモードではノック学習も行われない。

過渡ノック制御は、リーンモードからストイキＥＧＲモードへの切り替えの際に発生するノックを抑制するための制御である。リーンモードからストイキＥＧＲモードへの切り替えの際には、エンジン水温を９５℃から８８℃以下に低下させることが行われる。しかし、ＨＴ冷却システム５０の構成から予想されるように、エンジン水温を低下させることは、エンジン水温を上昇させる場合に比較して応答性に優れておらず、短かからぬ時間を要する。例えば、あるスペックのもとでは、エンジン水温を８８℃以下から９５℃まで上昇させることに要する時間をα（αは熱伝達時間をさす）とすると、エンジン水温を９５℃から８８℃以下に低下させることに要する時間は６秒＋α程度となる。このように、運転モードがストイキＥＧＲモードに切り替わったにも関わらず、エンジン水温が８８℃以下まで低下していないことによって、ノックが助長されてしまう。

過渡ノック制御において、ノックの抑制に用いられる手段は、次の３つである。第１の手段は、ＩＮ−ＶＶＴ１５である。ＩＶＣを遅角するようにＩＮ−ＶＶＴ１５を操作すること（この操作を第１の操作という）により、実圧縮比が抑えられ、それによる筒内温度の低下によってノックが抑えられる。ＩＶＣを遅角するための方法は、ＩＮ−ＶＶＴ１５がバルブタイミングを可変にする装置である場合には、ＩＶＣの遅角はバルブタイミングの遅角により行われ、ＩＮ−ＶＶＴ１５が作用角を可変にする装置である場合には、ＩＶＣの遅角は作用角の拡大により行われる。ただし、ＩＶＣには遅角限界が設けられている。ＩＶＣは燃焼室６内の乱れに強く影響しているため、燃焼の安定性を確保するためには、所定角度（例えば下死点後５０度）を超えてＩＶＣを遅角しないことが求められる。

第２の手段は、オイル噴射装置１３０である。オイル噴射量を増大させるようにオイル噴射装置１３０を操作すること（この操作を第２の操作という）により、ピストン８及びピストン８が摺動するシリンダ４の壁面の冷却が促進され、それによってノックが抑えられる。ただし、オイル噴射量には、オイル制御バルブ１３６の最大開度から決まる最大噴射量が存在し、最大噴射量を超えてはオイルを噴射することはできない。

第３の手段は、ＥＧＲ装置１００である。ＥＧＲ量を増大させるようにＥＧＲ装置１００を操作すること（この操作を第３の操作という）により、燃焼が緩慢化され、それによってノックが抑えられる。ただし、筒内ガスに占めるＥＧＲガスの比であるＥＧＲ率には、燃焼の安定性を確保するための上限が設けられている。このＥＧＲ率の上限から決まるＥＧＲ量の上限を超えないように、ＥＧＲバルブ１０６の開度を調整することが求められる。

上記の３つの操作は、ノックを抑制する効果がある反面、多少なりとも燃費性能の低下を招くことになる。ゆえに、過渡ノック制御では、第１乃至第３の操作が同時に実行されるのではなく、ノックが収まるまで予め決められた順序で１つずつ実行されていく。操作の実行順序は、操作に対する制御量の応答が早い順とされている。具体的には、最初に実行されるのは第１の操作であり、次に実行されるのは第２の操作であり、最後に実行されるのは第３の操作である。より詳しくは、まず、第１の操作によりＩＶＣが遅角される。ＩＶＣが遅角限界に達してもノックが収まらない場合には、次に、第２の操作によりオイル噴射量が増やされる。オイル噴射量が最大値に達してもノックが収まらない場合には、さらに、第３の操作によりＥＧＲ量が増やされる。そして、ＥＧＲ量が上限に達してもノックが収まらない場合には、最後に、点火時期をＭＢＴ点火時期よりも遅角させることが行われる。

以上概説した過渡ノック制御の詳細な制御フローをフローチャートで表したものが図５である。制御装置１２０は、このような制御フローで表されるプログラムをＲＯＭから読み出し、ＣＰＵのクロック数に対応する所定の制御周期で繰り返し実行する。

まず、制御装置１２０は、ステップＳ２において、リーンモードからストイキＥＧＲモードへの切り替え後かどうか判定する。リーンモードからストイキＥＧＲモードへの切り替えは、エンジン回転速度と目標トルクとで定まるエンジン１の動作点が、リーン領域内からストイキＥＧＲ領域内へ移ったときに行われる。エンジン１の運転モードがリーンモードの場合、制御フローは終了する。

エンジン１の運転モードがストイキＥＧＲモードの場合、制御フローは次にステップＳ４に進む。ステップＳ４では、制御装置１２０は、エンジン水温がリーンモードの目標温度（９５℃）からストイキＥＧＲモードへの目標温度（８８℃以下）への変化の途中かどうか、すなわち、過渡かどうか判定する。この判定は、エンジン水温センサ６８により測定されるエンジン水温に基づいて行われる。エンジン水温が８８℃以下になっている場合、制御フローは終了する。

エンジン水温が８８℃以下まで低下していない過渡の場合、制御フローは次にステップＳ６に進む。ステップＳ６では、制御装置１２０は、ノックセンサ１２４によって（或いは燃焼圧センサ２２によって）ノックが検知されたかどうか判定する。ノックが検知されていない場合、制御フローは終了する。

ノックが検知された場合、制御フローは次にステップＳ８に進む。ステップＳ８では、制御装置１２０は、ＩＶＣが遅角限界まで遅角されているかどうか判定する。ＩＶＣが未だ遅角限界まで達していないのであれば、ＩＶＣをさらに遅角して実圧縮比を下げることによって、ＩＶＣの遅角によるノック抑制効果を高めることができる。この場合、制御フローは次にステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、制御装置１２０は、ＩＶＣを遅角するようにＩＮ−ＶＶＴ１５を操作する第１の操作を実行する。なお、このときのＩＮ−ＶＶＴ１５の操作方法としては、制御ステップごとに所定角度ずつＩＶＣを遅角することでもよい。ただし、ノックの速やかな抑制の観点からは、ＩＶＣを遅角限界まで最大速度で遅角することが好ましい。

ＩＶＣが既に遅角限界まで遅角されているのであれば、制御装置１２０は、別の手段を用いてノックを抑制する。この場合、制御フローは次にステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、制御装置１２０は、オイル制御バルブ１３６が最大開度まで開いているかどうか判定する。オイル制御バルブ１３６が未だ最大開度まで開いていないのであれば、オイル制御バルブ１３６の開度をさらに大きくすることによって、オイル噴射量の増量によるノック抑制効果を高めることができる。この場合、制御フローは次にステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、制御装置１２０は、オイル噴射量を増大させるようにオイル制御バルブ１３６を操作する第２の操作を実行する。なお、このときのオイル制御バルブ１３６の操作方法としては、制御ステップごとに所定量ずつ開度を拡大することでもよい。ただし、ノックの速やかな抑制の観点からは、オイル制御バルブ１３６を最大開度まで最大速度で開くことが好ましい。

オイル制御バルブ１３６が既に最大開度まで開いているのであれば、制御装置１２０は、さらに別の手段を用いてノックを抑制する。この場合、制御フローは次にステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、制御装置１２０は、ＥＧＲ量が上限値まで増やされているかどうか判定する。ＥＧＲ量が未だ上限値まで達していないのであれば、ＥＧＲバルブ１０６の開度をさらに大きくすることによって、ＥＧＲ量の増量によるノック抑制効果を高めることができる。この場合、制御フローは次にステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、制御装置１２０は、ＥＧＲ量を増大させるようにＥＧＲバルブ１０６を操作する第３の操作を実行する。なお、このときのＥＧＲバルブ１０６の操作方法としては、制御ステップごとに所定量ずつ開度を拡大することでもよい。ただし、ノックの速やかな抑制の観点からは、ＥＧＲ量が上限値に達する開度までＥＧＲバルブ１０６を最大速度で開くことが好ましい。

ＥＧＲ量が上限値に達しているのであれば、制御装置１２０は、最後の手段を用いてノックを抑制する。この場合、制御フローは次にステップＳ２０に進む。ステップＳ２０では、制御装置１２０は、点火時期をＭＢＴ点火時期よりも遅角させることを行う。基準となるＭＢＴ点火時期は、ストイキＥＧＲモードでのＭＢＴ点火時期である。このときの点火装置の操作方法としては、制御ステップごとに所定角度ずつ点火時期を遅角することでもよい。ただし、エンジン水温が低下するまでの間の一時的な操作であるので、ノックが確実に抑えられるように一度に大きく遅角してもよい。また、ステップＳ２０で行われる点火時期の遅角に対しては、通常ノック制御で行なっているノック学習は行わない。ここでの遅角量を学習値として取り込んでしまうと、エンジン水温が目標値に収束した後も点火時期を常時遅角してしまい、燃費性能の低下を招くことになるからである。ゆえに、ステップＳ２０に続くステップＳ２２では、制御装置１２０は、ノック学習を一時的に停止する。

以上のステップＳ２−Ｓ２２からなる制御フローにしたがって過渡ノック制御が実行されることで、リーンモードからストイキＥＧＲモードへの切り替えの際にエンジン水温の応答遅れに起因して発生するノックを効果的に抑えることができる。

ところで、ノックが発生する可能性は、エンジン水温がストイキＥＧＲモードの目標温度に近づくにつれて、つまり、時間が経つにつれて低下していく。よって、ノックが一旦収まった後は、上記の制御フローの手順を逆にたどっていくことにより、ストイキＥＧＲモードに応じた制御状態へ戻すための操作が行われる。以下、上記の制御フローにおいて点火時期の遅角まで行われた場合を例にとって、ノックが収まった後の操作手順について具体的に説明する。

ノックセンサ１２４或いは燃焼圧センサ２２の信号よりノックが収まったことが確認された場合、制御装置１２０は、まず、点火時期をストイキＥＧＲモードのＭＢＴ点火時期まで進角することを行う。

次に、制御装置１２０は、エンジン１の動作点から決まる目標ＥＧＲ率が実現されるように、ＥＧＲ装置１００を操作して、上限まで増量していたＥＧＲ量を低下させていく。ＥＧＲバルブ１０６を閉じ始めるタイミングは、点火時期をＭＢＴ点火時期まで進角した直後でもよい。ただし、ノックの抑制のための操作とは異なり必ずしも急ぐ必要のない操作であるため、点火時期の進角後、ノックが再発しないか確認するための一定時間が経過してからＥＧＲバルブ１０６を閉じ始めてもよい。

次に、制御装置１２０は、オイル噴射装置１３０を操作して、オイル噴射量をストイキＥＧＲモードにおける規定噴射量まで低下させていく。ストイキＥＧＲモードにおける規定噴射量は、リーンモードにおける規定噴射量よりも多い。ストイキＥＧＲモードでは、点火時期は通常ノック制御によってトレースノック点火時期に調整されるため、ノックが発生しやすい条件とならないようにリーンモードよりもオイル噴射による冷却が強められている。オイル制御バルブ１３６を閉じ始めるタイミングは、ＥＧＲバルブ１０６を目標開度まで閉じ始めた後であれば、目標開度まで閉じ終わるまででもよいし、目標開度まで閉じ終わった後でもよい。

最後に、制御装置１２０は、ＩＮ−ＶＶＴ１５を操作して、ＩＶＣを遅角限界からエンジン１の動作点から決まる設定角度まで進角していく。ＩＶＣを進角し始めるタイミングは、オイル制御バルブ１３６を閉じ始めた後であり、且つ、エンジン水温がストイキＥＧＲモードの目標温度に収束するまでであればよい。なお、このときのＩＮ−ＶＶＴ１５の操作方法としては、制御ステップごとに所定角度ずつＩＶＣを進角してもよいし、ＩＶＣをストイキＥＧＲモードの設定角度まで最大速度で進角してもよい。

点火時期がＭＢＴ点火時期まで進角され、且つ、ＥＧＲ装置１００、オイル噴射装置１３０、及びＩＮ−ＶＶＴ１５の全ての操作量の変更が完了した場合、制御装置１２０は、過渡ノック制御を終了して通常ノック制御を開始する。そして、通常ノック制御の開始とともにノック学習も開始する。

７．エンジンの動作の一例
図６は、上述のノック制御（過渡ノック制御）を吸気温度制御及びエンジン水温制御とともに実行した場合のエンジン１の動作の一例を示すタイムチャートである。図６には、図４においてエンジン回転速度を一定のままリーン領域からストイキＥＧＲ領域まで負荷を増大させた場合の下記パラメータの時間による変化が描かれている。そのパラメータとは、運転モードの切り替えに係るパラメータである空燃比（ａ）と、吸気温度制御及びエンジン水温制御の制御量であるエンジン水温（ｂ）及び吸気温度（ｃ）と、過渡ノック制御の操作量であるＩＶＣ（ｄ）、ＯＣＶ開度（ｅ）及びＥＧＲバルブ開度（ｆ）と、点火時期（ｇ）である。

リーン領域では、空燃比は所定のリーン空燃比に設定される。負荷の増大に応じて過給圧が増大され、過給圧の増大に応じてインタークーラ７２に入る吸気の温度は上昇していくが、吸気温度センサ７６により測定される吸気温度は３５℃で一定とされる。これを実現するために、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ流量は、負荷の増大に応じて増大されている。また、エンジン水温センサ６８により測定されるエンジン水温は９５℃で一定とされる。負荷の増大に応じて冷却損失が増加するため、エンジン水温が一定になるように、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプ流量とラジエータ６０に通じる流路の開度（多機能弁６６の第３ＨＴ流路５６の開度）は、負荷の増大に応じて増大されている。

リーン領域では、ＩＶＣ、ＯＣＶ開度（オイル制御バルブ１３６の開度）及びＥＧＲバルブ開度の各操作量は、リーンモードにおける目標値或いは設定値とされている。ＥＧＲバルブ開度に関して言えば、この実施の形態のリーンモードではＥＧＲガスの導入は行わないため、ＥＧＲバルブ開度はゼロとされている。点火時期はＭＢＴ点火時期に調整されている。

そして、エンジン１の動作点がリーン領域からストイキＥＧＲ領域に移ると、運転モードがリーンモードからストイキＥＧＲモードに切り替えられる。この運転モードの切り替えは、チャート（ａ）に示すように空燃比をリーン空燃比から理論空燃比に切り替えるとともに、チャート（ｆ）に示すようにＥＧＲバルブ開度をゼロからステップ応答的に増大させ、ＥＧＲ量をゼロからエンジン回転速度及び目標トルクに応じた量まで増大させることで実現される。

また、エンジン１の動作点がリーン領域からストイキＥＧＲ領域に移ると、吸気温度は３５℃から４５℃まで上げられ、エンジン水温は８８℃以下まで下げられる。これを実現するため、運転モードの切り替えのタイミングで、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプ流量とラジエータ６０に通じる流路の開度（多機能弁６６の第３ＨＴ流路５６の開度）はステップ応答的に増大され、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ流量はステップ応答的に減少される。

ただし、エンジン１から多量の熱が放熱されている環境下では、吸気温度やエンジン水温を上昇させることは容易であるが、吸気温度やエンジン水温を低下させることは容易ではない。つまり、ＬＴ冷却システム３０の操作に対して吸気温度が応答良く上昇するのに対し、ＨＴ冷却システム５０の操作に対するエンジン水温の応答遅れは大きい。このため、運転モードの切り替えからエンジン水温が８８℃以下になるまでには、ある程度の時間を要する。

エンジン水温が８８℃以下になるまでの間、冷却不足によってノックが発生しやすい状況となる。図６には、運転モードの切り替え後直ぐにノックが発生した場合のエンジン１の動作例が示されている。ノックが検知された場合、チャート（ｄ）に示すようにＩＶＣが遅角限界まで遅角される。それでもノックが収まらない場合、チャート（ｅ）に示すようにオイル制御バルブ１３６が最大開度まで開かれ、オイル噴射量が最大噴射量まで増量される。さらにノックが続くようであれば、チャート（ｆ）に示すようにＥＧＲバルブ１０６が上限開度まで開かれ、ＥＧＲ量が上限まで増量される。それでもノックが収まらない場合、チャート（ｇ）に示すように点火時期がＭＢＴ点火時期よりも遅角される。

点火時期の遅角によって最終的にはノックは抑制される。その後、まず、チャート（ｇ）に示すように点火時期が再びＭＢＴ点火時期まで進角される。点火時期を進角してもノックが再発しないようであれば、次に、チャート（ｆ）に示すようにＥＧＲバルブ１０６が元の開度まで閉じられ、ＥＧＲ量がエンジン回転速度及び目標トルクに応じた量まで減量される。さらに、チャート（ｅ）に示すようにオイル制御バルブ１３６がストイキＥＧＲモードの設定開度まで閉じられ、オイル噴射量が減量される。さらに、チャート（ｄ）に示すようにＩＶＣが遅角限界からストイキＥＧＲモードの設定角度（例えば、下死点後１０〜２５度）まで進角される。

ＩＶＣがストイキＥＧＲモードの設定角度まで進角され、且つ、エンジン水温が８８℃以下まで低下した時点で過渡ノック制御は終了し、ノック学習を伴う通常ノック制御が開始される。ストイキＥＧＲモードでは、吸気温度は４５℃に維持され、エンジン水温は８８℃以下に維持される。

８．その他実施の形態
上記の実施の形態では、エンジン水温の過渡においてノックが検知された場合、第１の操作、第２の操作、第３の操作の順に実行しているが、この順序は変更してもよい。また、第１乃至第３の操作の全てを実行するのではなく、何れか２つの操作を実行してもノックが収まらなければ、点火時期の遅角を用いてノックを抑えるようにしてもよい。さらに、第１乃至第３の操作の中の何れか１つの操作を実行してもノックが収まらなければ、点火時期の遅角を用いてノックを抑えるようにしてもよい。

１ エンジン
２ エンジンヘッド
３ エンジンブロック
４ シリンダ
６ 燃焼室
１４ 吸気バルブ
１５ 可変動弁装置（ＩＮ−ＶＶＴ）
２０ 点火プラグ
２２ 燃焼圧センサ
２４ ポート噴射弁
２６ 筒内噴射弁
３０ ＬＴ冷却システム
５０ ＨＴ冷却システム
６８ エンジン水温センサ
７２ インタークーラ
７６ 吸気温度センサ
９０ ターボ過給機
１００ ＥＧＲ装置
１０６ ＥＧＲバルブ
１２０ 制御装置
１２４ ノックセンサ
１３０ オイル噴射装置
１３６ オイル制御バルブ

Claims (7)

1. 理論空燃比で運転するストイキモードと、理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で運転するリーンモードとを運転域に応じて切り替える内燃機関において、
   吸気バルブの閉じタイミングを変更可能な可変動弁装置と、
   ピストンの裏面にオイルを噴射するオイル噴射装置と、
   排気の一部を吸気通路に再循環させるＥＧＲ装置と、
   エンジンヘッドの排気側を流れる冷却水の温度を調整するエンジン水温調整装置と、
   少なくとも前記可変動弁装置、前記ＥＧＲ装置、前記オイル噴射装置、及び前記エンジン水温調整装置を操作する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記内燃機関が前記リーンモードで運転する場合は、前記エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第１温度域に入るように前記エンジン水温調整装置を操作し、前記内燃機関が前記ストイキモードで運転する場合は、前記エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が前記第１温度域よりも低温の第２温度域に入るように前記エンジン水温調整装置を操作するように構成され、且つ、
   前記制御装置は、前記リーンモードから前記ストイキモードの切り替えの開始後にノックが検知された場合、前記吸気バルブの閉じタイミングを遅角するように前記可変動弁装置を操作する第１の操作と、オイル噴射量を増大させるように前記オイル噴射装置を操作する第２の操作と、ＥＧＲ量を増大させるように前記ＥＧＲ装置を操作する第３の操作との中の何れか１つの操作を実行するように構成されている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記制御装置は、前記第１乃至第３の操作の中の１つの操作を実行した後もノックが検知された場合、残り２つの操作の中の何れか１つの操作を実行するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記制御装置は、前記第１乃至第３の操作の中の１つの操作を実行した後もノックが検知された場合、点火時期をＭＢＴ点火時期よりも遅角するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記制御装置は、前記第１乃至第３の操作の中の２つの操作を実行した後もノックが検知された場合、最後に残った操作を実行するように構成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
5. 前記制御装置は、前記第１乃至第３の操作の中の２つの操作を実行した後もノックが検知された場合、点火時期をＭＢＴ点火時期よりも遅角するように構成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
6. 前記制御装置は、前記第１乃至第３の操作の全ての操作を実行した後もノックが検知された場合、点火時期をＭＢＴ点火時期よりも遅角するように構成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
7. 前記制御装置は、前記第１乃至第３の操作のうち前記第１の操作を最初に実行するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の内燃機関。

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