JP4561694B2 - 予混合圧縮自着火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、複数の気筒を備える予混合圧縮自着火式内燃機関の構成に関し、詳細には、各気筒の燃焼状態のバラツキを抑制する制御に関する。

予混合圧縮自着火式内燃機関は、シリンダ外で燃料と空気とを予め混合したものをシリンダ内に流入させ、ピストンの圧縮により圧縮着火（自着火）させる方式の内燃機関である。このエンジンは、スパークプラグを使わず圧縮自着火させる点ではディーゼルエンジンと共通する一方で、着火前に予め燃料を混合しておく（予混合）という点ではガソリンエンジンと共通しており、いわばディーゼルエンジンとガソリンエンジンとの中間の性質を有するエンジンといえる。

このタイプの内燃機関は、熱効率が高く燃費を低減でき、また、ススやＮＯｘ等の有害物質を低減できる等、様々なメリットがあり、近年研究開発が進められている。しかしながら、この予混合圧縮自着火式内燃機関の実用化の大きな壁となっている問題点の一つに、一般のエンジンに比べて着火・燃焼の制御が困難であるという問題がある。

即ち、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンでは、シリンダ内に燃料を噴射したりスパークプラグに火花を発生させるタイミングを調整することで、ピストン上死点付近の最も適切な時点で点火を行わせることが可能とされている。一方、予混合圧縮自着火式のエンジンの場合は、燃料と空気とを予め混合しておき、それを圧縮して自然に自己着火させる方式であるので、ピストン上死点付近で自己着火が行われるように温度・圧力・燃料濃度を含む様々な制御要因を適切にコントロールしなければならず、その制御が極めて難しいという問題がある。従って、上記のような制御をすることが困難ではない領域のみで運転することとなるため、運転範囲は狭い。

この点に関し、特許文献１は、多気筒の２サイクルエンジンで予混合自着火燃焼方式を採用する際に、各気筒の吸気管や排気管の圧力脈動の影響により掃気の効果が気筒毎に多少異なる傾向があり、これによって燃焼状態が各気筒ごとに異なるので、自着火燃焼が可能な運転条件の範囲が実質的に狭められてしまうという問題を指摘する。

そして、これを解決するために、特許文献１のエンジンは、各燃焼室の燃焼状態に関連付けられた燃焼状態情報を検出するためのセンサを備えるとともに、このセンサで検出された情報の変化から、各燃焼室の燃焼状態を示す特定の燃焼状態指標を演算するとともに、全燃焼室に関する前記燃焼状態指標の平均値である平均燃焼状態指標を演算する演算部を備える。また、特許文献１のエンジンは、各燃焼室の前記燃焼状態指標が前記平均燃焼状態指標の近傍にある所定の許容範囲内にあるか否かを調べ、ある燃焼室の前記燃焼状態指標が前記許容範囲から外れているときには当該燃焼室の燃焼制御パラメータを調整することによって、全燃焼室の燃焼状態を互いに近づける燃焼制御パラメータ調整部を備える。

具体的には、上記特許文献１の構成は、燃料噴射量を各燃焼室ごとに増減したり（特許文献１の００４９、００５１）、吸気弁の閉弁時期を各燃焼室ごとに進角又は遅角させることにより（同００５７）、全燃焼室の燃焼状態を互いに似通わせるように制御している。

この特許文献１のエンジンでは、全燃焼室が互いに似通った燃焼状態で運転されるので、少数の燃焼室において自着火が不適切となることを防止でき、この結果、エンジン全体で自着火運転が可能な範囲を従来よりも広げることが可能であるとする。

特開２００４−１９０５３９号公報（０００８、０００９）

しかしながら、上記のように燃料噴射量や吸気弁の閉弁時期を変更するということは、各気筒ごとに燃料噴射量を変更可能な構成、あるいは、各気筒ごとに吸気弁の閉時期を変更可能な機構が必要になることを意味する。従って、構成が複雑化し、軽量化や制御の簡素化の障害になってしまう。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、複数の気筒を有する予混合圧縮自着火式内燃機関において、簡素な構成で気筒間の燃焼状態のバラツキを低減し、高効率かつ低ＮＯｘな運転が可能な構成を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

◆本発明の観点によれば、以下のように構成する、複数の気筒を有する予混合圧縮自着火式内燃機関が提供される。それぞれの前記気筒の燃焼状態を取得可能なセンサと、前記センサに電気的に接続される制御装置と、前記気筒のそれぞれに設けられる点火装置と、を備える。前記制御装置は、前記複数の気筒のそれぞれについての燃焼状態を前記センサから取得し、燃焼が最も激しい気筒の燃焼状態が適切な燃焼状態になるように吸気弁のバルブタイミングと排気弁のバルブタイミングと燃料噴射量（燃料供給量。以下、燃料供給量を燃料噴射量ともいう）のうちの少なくとも何れか一つを制御することで、全ての気筒についての燃焼を抑制する。燃焼状態が所定範囲から失火側に外れている気筒の前記点火装置が着火補助を行うように当該点火装置を選択的に作動させる。

なお、「激しい燃焼」とは、例えば、ＮＯｘが多く発生する燃焼や、燃焼音が大きい燃焼を指し、着火時期が早いとか、筒内圧力の上昇率が高いとか、ノッキングセンサの検出値が大きいといったことが起きる。
「適切な燃焼状態」とは、例えば、ＮＯｘの発生量が少ないことや、失火状態が少ないという観点から定められたある範囲の燃焼状態、あるいは、定められたある最良の１点の燃焼状態を意味する。
「燃焼を抑制する」とは、例えば、ＮＯｘの発生を少なくしたり、燃焼音を小さくする方向に燃焼を制御することを指し、具体的には、上記した激しい燃焼の燃焼状態とは反対の方向に燃焼状態を制御することや、例えば燃料噴射量を減らすことを意味する。
「失火側に外れている」とは、燃料が効率よく燃焼せずＣＯやＣＨが発生する状態を指しており、着火時期が遅いとか、燃焼時の圧力上昇率が低いということが起きる。また、その状態が更に進むと、失火することになる。

これにより、各気筒ごとにバルブタイミングや燃料噴射量を変更可能な高価・大重量かつ複雑な構成を使用せずに、複数の気筒間の燃焼状態のバラツキを低減でき、高効率かつ低ＮＯｘな運転を実現できる。

◆前記適切な燃焼状態は、燃焼状態が前記所定範囲内にあることをいい、燃焼が最も激しい気筒の燃焼状態が、前記所定範囲より燃焼の激しい側に外れている時には、前記気筒の燃焼状態が前記所定範囲内に移行するように制御が行われることが好ましい。

◆最良の１点を示す燃焼状態であり、燃焼が最も激しい気筒の燃焼状態が、前記所定範囲より燃焼の激しい側に外れている時には、前記気筒の燃焼状態が最良の一点を示す燃焼状態に移行するように制御が行われることが好ましい。

◆前記の予混合圧縮自着火式内燃機関においては、前記センサは、イオン電流センサ、筒内圧センサ、又はノックセンサのうち少なくとも何れか一つであることが好ましい。

これにより、各気筒における燃焼状態を的確に検出できるので、複数の気筒間の燃焼状態のバラツキを良好に抑えることができる。

◆前記の予混合圧縮自着火式内燃機関においては、前記燃焼抑制制御は、吸気弁のバルブタイミング又は排気弁のバルブタイミングの少なくとも何れか一方の変更が優先的に行われ、それでも燃焼状態を所定範囲内に移行させることができない場合に燃料噴射量の変更が行われることが好ましい。

これにより、複数の気筒間の燃焼状態のバラツキが生じた場合の燃焼抑制制御を素早く行うことができる。また、補充的に燃料噴射量の変更制御も行われるので、気筒間の燃焼状態のバラツキが大きい場合にも良好に対処できる。

◆前記の予混合圧縮自着火式内燃機関においては、当該内燃機関は、排気上死点付近において、排気弁及び吸気弁を何れも閉じることにより負のオーバーラップ期間を有するように設定されていることが好ましい。

これにより、気筒内にトラップされた既燃ガス（ＥＧＲガス）によって混合気を加熱でき、予混合気の自着火性を向上させることができる。

◆前記の予混合圧縮自着火式内燃機関においては、前記の吸気弁のバルブタイミング又は排気弁のバルブタイミングの少なくとも何れか一方の制御は前記負のオーバーラップ期間を変更するように行われることが好ましい。

これにより、トラップされるＥＧＲガスの量を変更することで、燃焼状態が前記所定範囲から激しい側に外れている気筒を含め、全気筒について確実にその燃焼を抑制することができる。

◆前記の予混合圧縮自着火式内燃機関においては、前記点火装置の選択的な作動は前記負のオーバーラップ期間中に行われることが好ましい。

これにより、ＥＧＲガス中の残存酸素と未燃燃料とが反応してラジカルが生成されるので、自着火を良好に補助することができる。また、低酸素濃度のＥＧＲガス中で点火装置が作動するので、ＮＯｘの発生も抑制できる。

◆前記の予混合圧縮自着火式内燃機関においては、前記負のオーバーラップ期間中には全気筒分の前記点火装置が作動される一方、圧縮行程においては前記点火装置が選択的に作動されることが好ましい。

これにより、負のオーバーラップ期間中には、全気筒でＥＧＲガス中にラジカルを生成し、着火性を全体的に向上することができ、低負荷側に運転範囲を広げることができる。また更に、圧縮行程においては点火装置を選択的に再度作動させることにより、複数の気筒間の燃焼状態のバラツキを補正することができる。

図１には、内燃機関を備えるガスヒートポンプの系統図の一例が示される。本発明の一実施形態に係る内燃機関は、例えば、図１に示すようなガスヒートポンプ１００に適用することができる。このガスヒートポンプ１００は、都市ガス（天然ガス）を用いた内燃機関（ガスエンジン）１によってヒートポンプサイクルを駆動して冷暖房を行うものであって、図１には、暖房サイクルとして機能している場合の系統を例示している。

ガスヒートポンプ１００は、室外機１０１と室内機１０２とを備えており、室外機１０１は、本実施形態に係る内燃機関（ガスエンジン）１と、内燃機関１によって駆動されるコンプレッサ１０３と、熱交換器１０４・１０５と、膨張弁１０６と、を含む。

冷媒は、室内機１０２側の熱交換器で凝縮され、液化することで熱を放出し、室内を暖房する。その後、矢印ａのように流れて、膨張弁１０６を通過して膨張し、低温低圧の液体になる。更に矢印ｂのように流れて、室外機１０１の熱交換器１０４で蒸発して吸熱し、低温低圧の気体になる。次いで矢印ｃのように流れて、コンプレッサ１０３で圧縮されて高温・高圧の気体になる。その後矢印ｄのように流れ、再び室内機１０２で液化して熱を放出する。ガスヒートポンプ１００では、このような暖房サイクルが反復されている。また、図１では、内燃機関１の排熱を利用して温水を循環し、冷媒と熱交換器１０５で熱交換を行うサイクルを例示している。

以下、本実施形態に係る内燃機関１について説明する。図２は、内燃機関１をその制御構成を説明するブロック図とともに示した概略図である。

図２において、内燃機関１は、シリンダブロック１１と、ピストン１２と、シリンダヘッド１３と、吸気弁１４と、排気弁１５と、を備えている。この内燃機関１は例えば４気筒エンジンに構成されており、複数の気筒５・５・・・を有している。なお、図２では紙面のスペースの都合上、４つの気筒５のうち２つのみを代表して図示するものとし、また、そのうちの１つは模式的に描かれている。

また、シリンダブロック１１、ピストン１２、シリンダヘッド１３によって燃焼室１６が各気筒５ごとに形成される。シリンダヘッド１３には、複数の気筒５のそれぞれに対応して吸気ポート１７及び排気ポート１８が形成されている。

内燃機関１の図示しない吸気側カム軸や排気側カム軸には、吸気弁１４及び排気弁１５のバルブタイミングを吸気と排気で独立に変更可能な可変バルブタイミング機構１９・２０が設けられている。この可変バルブタイミング機構１９・２０は、図示しないクランク軸に対する各カム軸の回転位相を調整して、吸気弁１４及び排気弁１５の開弁時期及び閉弁時期を複数の気筒５・５・・・で同時に変更することができる。

可変バルブタイミング機構１９・２０による吸気弁１４及び排気弁１５のバルブタイミングの変更は、それぞれ、吸気側油圧制御弁２１及び排気側油圧制御弁２２で油圧が制御されることにより行われる。この構成は、例えば、特開２００１−３５５４６２号公報に記載されているもの等種々のものを用いることができる。

この内燃機関１は、図２に示すように、予め燃料が空気に混合された混合気が吸気される予混合圧縮自着火式内燃機関とされており、燃料ガス（天然ガス）が、吸気された空気とミキサ２３により混合された後、複数の気筒５・５・・・に分配されて、吸気ポート１７から燃焼室１６内に吸気される。

また、内燃機関１は、燃焼室１６内での燃焼パターンを取得するためのイオン電流センサ（センサ）２４と、点火補助手段ないし点火装置としてのスパークプラグ３２と、を各気筒５ごとに適宜の位置に備えている。

次に、内燃機関１に備えられる制御装置１０について説明する。図２において、制御装置１０は、吸気弁１４及び排気弁１５のバルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構１９・２０と、各油圧制御弁２１・２２と、内燃機関１の諸制御を行う制御装置としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２５と、を備えている。

このＥＣＵ２５は中央制御部３３を備えるとともに、可変バルブタイミング機構１９・２０を制御する吸排気弁開閉タイミング制御部２６と、スパークプラグ３２の点火を各気筒５ごとに制御するスパークプラグ制御部３４と、ミキサ２３の燃料噴射量（燃料供給量）を制御する燃料制御部３５と、を備えている。

また、ＥＣＵ２５には、クランク角センサ２８や、吸気側カム角センサ２９や、排気側カム角センサ３０や、負荷センサ３１、各気筒５ごとに設けられたイオン電流センサ２４等が電気的に接続されており、各測定結果をＥＣＵ２５に信号として出力する構成となっている。

クランク角センサ２８は図略のクランク軸に取り付けられており、所定のクランク角毎にクランク角信号を出力する。また、吸気側カム角センサ２９は吸気側カム軸に、排気側カム角センサ３０は排気側カム軸に、それぞれ取り付けられるものであって、所定のカム角毎にカム角信号を出力する。

負荷センサ３１は、前述の室内機１０２（図１）の設定運転条件を負荷信号として出力するように構成されている。ただし、コンプレッサ１０３の運転状況を検知して負荷信号として出力するように構成しても良い。

ＥＣＵ２５は、図示しないハードウェア構成としてＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭを内蔵している。ＲＯＭは読出専用の記憶装置であって、内燃機関１の動作を制御するための各種プログラムや、設定値等が格納されている。ＣＰＵは、受信した各種信号やＲＯＭに格納された各種プログラムに基づいて各種演算及び処理を行い、各油圧制御弁２１・２２、各スパークプラグ３２、ミキサ２３等の制御を行う。即ち、これらのハードウェア及びソフトウェアが組み合わされることによって、中央制御部３３、吸排気弁開閉タイミング制御部２６、スパークプラグ制御部３４、燃料制御部３５が、ＥＣＵ２５内に構成されている。

次に、本実施形態の内燃機関１における着火制御フローを、図３を参照して説明する。このプログラムは、所定時間の間隔（例えば、数ミリ秒）をおいて反復して実行されるものである。

図３に示される着火制御のメインフローでは、先ずステップＳ１で、クランク角センサ２８や負荷センサ３１の信号を基に、現在のエンジン回転数と、要求されている負荷を演算して取得する。

そしてステップＳ２で、取得されたエンジン回転数と負荷を前記ＲＯＭに記憶されている着火制御マップと照合して、火花点火を行うか、圧縮自着火を行うかを選択する。この着火マップは例えば図４に示すようなマップとされており、エンジン回転数が所定値よりも大きいか、要求負荷が所定値よりも大きい場合には火花点火とし、それ以外の場合は圧縮自着火となるように設定されている。なお、マップで照合する形式に限定せず、適宜の判定式に当てはめることで火花点火を行うか圧縮自着火を行うかを選択するようにしても良い。

前記ステップＳ２の判定で火花点火運転が選択された場合は、ステップＳ３の処理に移り、通常の火花点火式エンジンと同様のバルブタイミングとなるよう吸排気弁開閉タイミング制御部２６を介して可変バルブタイミング機構１９・２０を制御するとともに、スパークプラグ制御部３４を介して前記スパークプラグ３２を制御して、火花点火による燃焼を行わせる。一方、圧縮自着火運転が選択された場合は、ステップＳ４で、以下に説明する圧縮自着火運転処理のサブルーチンを実行する。

次に、前記圧縮自着火運転処理のサブルーチンを、図５を参照して説明する。この圧縮自着火運転処理のサブルーチンでは、先ずステップＳ１０１、前記のメインルーチン（図３）のステップＳ１で取得された負荷に応じて、吸気弁１４及び排気弁１５の開閉タイミング（バルブタイミング）の制御値を設定する。

上記の点に関連して、圧縮自着火運転における吸気弁および排気弁１５の開閉タイミングの設定例を、模式図として図６に示す。この図６に示すように、本実施形態の内燃機関１では、排気行程から吸気行程にかけて、排気弁１５の閉弁時期（ＥＶＣ）は排気上死点よりも進角側に制御され、吸気弁１４の開弁時期（ＩＶＯ）は排気上死点よりも遅角側となるように制御されている。この結果、排気上死点付近において、排気弁１５及び吸気弁１４が何れも閉じられる負のオーバーラップ期間Ｔが形成されることになる。

このように制御することで、膨張行程が終了して排気行程が開始すると、燃焼後の排気ガス（既燃ガス）は、ピストン１２の上昇に伴って排気ポート１８を通じて排出される。しかし、排気上死点より進角側のタイミング（図６のＥＶＣのタイミング）で排気弁１５が閉じられるので、その後は、既燃ガスは燃焼室１６に閉じ込められトラップされる。これが残留ガス（いわゆるＥＧＲガス）となる。

そして、排気上死点より遅角側のタイミング（図６のＩＶＯのタイミング）になると吸気弁１４が開かれて、ミキサ２３から吸気ポート１７を通じて供給される予混合気が、燃焼室１６の前記ＥＧＲガスと混合される。この結果、燃焼後の高温のＥＧＲガスによって混合気が加熱され、着火性が向上されることになる。

そして、このステップＳ１０１で行われるバルブタイミングの基準値の設定は、負荷が低くなるに従って、排気弁１５の閉弁時期を進角させ且つ吸気弁１４の開弁時期を遅角させるように行われる。一方、負荷が高くなった場合には、排気弁１５の閉弁時期は遅角させ且つ吸気弁１４の開弁時期は進角させるように行われる。

こうすることによって、低負荷時には高温の内部ＥＧＲ量をより多量にトラップさせることで、よりリーン（希薄）な混合気に対しても十分な圧縮着火燃焼が安定的に得られる。即ち、低負荷運転時において燃費を向上できるとともに、ＮＯｘ排出量を低減することができる。また一方で、高負荷時には高温の内部ＥＧＲ量を少なくして、ノッキングの発生を抑制することが可能になる。

なお、このステップＳ１０１ではバルブタイミング制御値をいわば仮に設定するだけであって、後述のステップＳ１０８で行われる実際のバルブタイミングの制御は、必要に応じて当該基準値に所定の補正（後述のステップＳ１０４）が加えられた後の値に基づき行われることになる。

次に、ステップＳ１０２では、クランク角をクランク角センサ２８からの信号で取得しつつ、各気筒５の燃焼パターンをイオン電流センサ２４から取得し、これらの情報から各気筒５における着火時期を計算して取得する。本実施形態では、圧縮自着火が行われて当該燃焼が進行するにつれてイオン電流センサ２４を流れる電流が増大するので、例えばこの電流値の波形から得られた演算量が所定の値を上回ったタイミング（クランク角）を調べることにより、各気筒５の着火時期を求めることができる。

なお、気筒５において上記のように求められる着火時期のタイミングは、圧縮上死点からの遅角角度が１°以上８°以下の範囲にあることが好ましい。即ち、着火時期が上記範囲よりも進角側に外れている場合は、燃焼が激しくなりすぎ、ＮＯｘの増大を招くことになる。一方で、上記範囲よりも遅角側に外れている場合は、失火気味の燃焼となって、ＨＣ，ＣＯの増大を招くことになる。

また、複数の気筒５・５・・・の間でも着火時期（燃焼状態）に幾らかのバラツキが生じるのは避けられないところであり、このバラツキを抑制しつつ、何れの気筒５についても前記の範囲内に着火時期が入るように燃焼状態を制御することが好ましい。

このために、本実施形態ではステップＳ１０２の処理で、４つの気筒５・５・・・のうち着火時期が最も早い気筒５（換言すれば、燃焼状態が最も激しい気筒５）がどれかを特定するとともに、ステップＳ１０３で、この特定された気筒５（以下、特定気筒）における着火時期が前記範囲よりも進角側に外れているか否かを判定する。そして、もし進角側に外れていた場合はステップＳ１０４で、当該気筒５の着火時期が上記範囲から外れなくなるように、前述のステップＳ１０１で定められたバルブタイミングの基準値を燃焼抑制側へ補正する。

前記補正は、具体的には、排気弁１５の閉弁時期（図６のＥＶＣ）は遅角させる一方、吸気弁１４の開弁時期（ＩＶＯ）は進角させるようにする。これにより、前記負のオーバーラップ期間Ｔが短縮され、トラップされる高温の前記ＥＧＲガス量を減少させることで、混合気が加熱される度合いを低下させ、これにより予混合気の着火性を低下させることが可能になる。

なお、前記のバルブタイミング制御値の補正の度合い（補正量）に関しては、例えば、最も早く着火すると特定された気筒（特定気筒）の着火時期が前記の範囲からどの程度外れているかによって、所定のマップや関係式等に基づいて定めることとすれば良い。また、特定気筒の着火時期が進角側に大きく外れており、バルブタイミング制御値を可能な範囲で補正しても前記特定気筒の着火時期を上記範囲の中に戻すことができないと見込まれるときは、ステップＳ１０５で、ミキサ２３の燃料噴射量についても、燃焼抑制側へ（具体的には、燃料噴射量を減少させる側へ）補正するようにしても良い。

また、説明を簡単にするために、図５のフローは上記の特定気筒についてスパークプラグ３２で着火補助がされていないことが前提になっている。図５では図示が省略されているが、最も着火が早いと特定された気筒５についてもし上記の着火補助がされていた場合は、単にその気筒５についてスパークプラグ３２を作動させなくなるように制御するものとし、ステップＳ１０４やＳ１０５の処理は行われない。

ここで、本実施形態の可変バルブタイミング機構１９・２０は、吸気弁１４及び排気弁１５のバルブタイミングを、各気筒５で個別にではなく全気筒５・５・・・で共通に変更するように構成されている。また、ミキサ２３は、全気筒５・５・・・に供給される混合気の燃料濃度を共通して変更するように構成されている。従って、着火時期のタイミングが前記の適正な範囲（１°〜８°）に当初は入っていた気筒５についても、上記のバルブタイミングの燃焼抑制側への補正（ステップＳ１０４）や燃料噴射量の減少（ステップＳ１０５）により、当該範囲を外れ、失火気味の燃焼となるおそれがある。また、燃焼状態が当初から前記の範囲を失火側に外れている気筒５も考えられ、この気筒５については、前記の燃焼抑制制御により更に失火気味となってしまうことになる。

この点に鑑み、本実施形態の制御ではステップＳ１０６で、上記の全気筒５・５・・・に対する燃焼抑制側への制御（ステップＳ１０４、Ｓ１０５）の影響も考慮した上で、前記特定気筒以外の気筒５のそれぞれについて、着火時期が前記所定範囲から遅角側に外れることになるか否か（換言すれば、燃焼状態が失火側に外れることになるか否か）を、適宜の演算結果に基づき判定する。そして、着火時期が遅角し過ぎている（あるいは、上記の補正の結果、遅角し過ぎることになると予測される）気筒があった場合、ステップＳ１０７で、当該遅角し過ぎ（の見込み）の気筒についてのみ、前記スパークプラグ３２を作動させて、その気筒の着火時期を前述した所定範囲に入るように設定する。なお、着火時期が遅角し過ぎ（或いはそう見込まれる）気筒が１つもない場合は、ステップＳ１０７の処理は行われないことは勿論である。

一方、ステップＳ１０３の処理で、前記の特定気筒の着火時期が所定範囲（１°〜８°）の中に入っていると判定された場合には、ステップＳ１０９の処理に移行して、他の気筒５の着火時期を調べる。そして、上記所定範囲から遅角側に外れている気筒（燃焼状態が失火側に外れている気筒）５が１つでもあった場合には、前記ステップＳ１０７の処理へ進み、当該気筒５についてのみスパークプラグ３２を作動させるようにする。ステップＳ１０９の処理で、他の気筒５の着火時期も全て所定範囲内にあると判定された場合は、何もせずにステップＳ１０８へ移る。

そしてステップＳ１０８で、設定され必要に応じて補正されたバルブタイミング制御値に基づいて、吸排気弁開閉タイミング制御部２６を介して可変バルブタイミング機構１９・２０を制御し、バルブタイミングを実際に変更する。また、必要があれば、燃料噴射量の変更制御や、スパークプラグ３２の選択的な点火も行う。その後、リターンして図３のメインルーチンへ復帰する。

以上のような制御が行われることにより、複数の気筒５・５・・・のうち着火時期が前記所定範囲から進角側に外れている気筒５が１つでもあった場合は、全気筒５・５・・・について燃焼を抑制する方向に可変バルブタイミング機構１９・２０や燃料噴射量が制御され、この燃焼抑制制御により前記所定範囲から遅角側に外れることとなる気筒５については、スパークプラグ３２の選択的な点火により、個別的に点火が補助される。従って、各気筒５ごとにバルブタイミングや燃料噴射量を変更可能な高価かつ複雑な構成に拠らずに、全ての気筒５の着火時期を所定範囲内に入れることで気筒５間の燃焼状態のバラツキを低減でき、高効率かつ低ＮＯｘな運転を実現できる。

以上に示すように、本実施形態の内燃機関１は、複数の気筒５・５・・・を有するとともに、それぞれの前記気筒５の燃焼状態を取得可能なイオン電流センサ２４と、前記イオン電流センサ２４に電気的に接続される制御装置１０と、前記気筒５のそれぞれに設けられるスパークプラグ３２と、を備える。前記制御装置１０は、前記複数の気筒５のそれぞれについての燃焼状態をイオン電流センサ２４から取得し、燃焼が最も激しい気筒（特定気筒）の燃焼状態が所定範囲から燃焼が激しい側に外れている場合は、全ての気筒５・５・・・についての燃焼を抑制するように、吸気弁１４及び排気弁１５のバルブタイミング及び燃料噴射量を制御する。燃焼状態が前記の所定範囲よりも失火側に外れている気筒、又は、前記の燃焼抑制制御により燃焼状態が前記の所定範囲から失火側に外れることが予測される気筒がある場合は、当該気筒５のスパークプラグ３２が着火補助を行うように、当該スパークプラグ３２を選択的に作動させる。

従って、各気筒５ごとにバルブタイミングや燃料噴射量を変更可能な高価かつ複雑な構成に拠らずに、気筒５間の燃焼状態のバラツキを低減でき、高効率かつ低ＮＯｘな運転を実現できる。

なお、各気筒５の燃焼状態を取得するためのセンサとしては、上記実施形態ではイオン電流センサ２４を採用したが、燃焼室１６内の圧力を検出する筒内圧センサや、ノッキングによるエンジン振動を検出するノックセンサであっても良い。これらのようなセンサを採用することで、各気筒５の燃焼室１６における燃焼状態を的確に検出することができる。

また、本実施形態の内燃機関１では、前記所定範囲から進角側に外れていた気筒５の着火時期を当該所定範囲内に戻すための燃焼抑制制御は、先ず吸気弁１４又は排気弁１５のバルブタイミングの補正（変更）を優先的に行うものとし（ステップＳ１０４）、それでも燃焼状態を所定範囲内に移行させることができない場合には、燃料噴射量の変更をいわば補充的に行うようにしている（ステップＳ１０５）。

即ち、全気筒に共通の燃料供給装置とバルブタイミング変更装置を備えた内燃機関の場合、燃焼状態を応答性良く制御することが可能なバルブタイミングの変更という手法を優先させ、バルブタイミングの補正で対応し切れない場合に燃料噴射量の変更を行うことで、気筒５間の燃焼状態のバラツキが生じても、そのバラツキを無くす方向へ短時間で素早く制御することができる。

また、本実施形態の内燃機関１では図６に示すように、排気上死点付近において、排気弁１５及び吸気弁１４を何れも閉じることにより負のオーバーラップ期間Ｔを有するように設定されている。従って、気筒５内にトラップされた既燃ガス（ＥＧＲガス）によって混合気を加熱することで、予混合気の自着火性を向上させることができる。

また、全気筒５・５・・・の燃焼を抑制させるための吸気弁１４又は排気弁１５のバルブタイミングの制御（ステップＳ１０４、Ｓ１０８）は、前記負のオーバーラップ期間Ｔを変更するように行われている。これにより、トラップされるＥＧＲガスの量を変更することで、燃焼状態が激しすぎる気筒５について確実にその燃焼を抑制することができる。

本実施形態では、圧縮自着火を補助するためのスパークプラグ３２の点火は、圧縮上死点よりも３０°〜５０°程度進角させたタイミングで行われている。ただし、前記スパークプラグ３２の選択的な作動（点火）は、負のオーバーラップ期間Ｔ中に行われていても良い。この場合、既燃ガス中の残存酸素と未燃燃料が反応してラジカルが生成されるので、通常の圧縮行程でスパークプラグ３２を点火させる場合と同様の効果を得ることができる。また、低酸素濃度である負のオーバーラップ期間Ｔ中にスパークプラグ３２が点火されるので、その点火によるＮＯｘの発生も抑えることができる。

あるいは、負のオーバーラップ期間Ｔ中においては全ての気筒５のスパークプラグ３２を点火する一方、圧縮行程では、所定の範囲から失火側に外れている気筒５についてのみスパークプラグ３２を（選択的に）点火するようにしても良い。この場合、全気筒の着火性を負のオーバーラップ期間Ｔ中のスパークプラグ３２の点火により確保すると同時に、各気筒５間の燃焼状態のバラツキは、圧縮行程でのスパークプラグ３２の選択的点火により補正することができる。特に、上記制御を燃料噴射量が少ない低負荷側での運転時に行うこととすると、自着火の安定性を維持しつつ気筒間の燃焼のバラツキを低減できる点で好ましい。

以上に本発明の好適な実施形態及び変形例を示したが、上記の構成は更に以下のように変更することもできる。

○上記の実施形態では、各気筒の燃焼状態を表す指標として着火時期を用いたが、着火時期の定義としては様々なものが考えられるし、燃焼の激しさを表す指標として着火時期を使用することにも限定されない。例えばセンサとして筒内圧センサを用いる場合においては、筒内圧Ｐとクランク角θとの関係から、圧力上昇率ｄＰ／ｄθ、熱発生率ｄＱ／ｄθ、熱発生量Ｑ等を算出することが考えられ、上記を単独で使用したり、あるいは複数を組み合わせることで、燃焼の激しさを表す定量的な指標を様々に定義して利用することができる。例えば、熱発生量が全熱発生量の１０％に達した時期を着火時期とすることも考えられる。
ただし、ここでいう「熱発生量」とは、筒内での１サイクル中に燃焼中に発生した実際の熱量をいい、投入した燃料の発生熱量とは異なる。この「熱発生量」は筒内圧から算出するものであるため、冷却損失などが考慮された結果となっている。

○上記実施形態では、ステップＳ１０４およびステップＳ１０５において、燃焼が最も激しい気筒の燃焼状態を、圧縮上死点からの遅角角度が１°以上８°以下の所定範囲内に収まるように移行させていた。しかしながら、燃焼が最も激しい気筒の燃焼状態を移行させる際には、前述のように幅を持たせず、最良な一点の燃焼状態、例えば本実施形態では着火時期が、圧縮上死点からの遅角角度が４°となるように移行させても良い。前述の所定範囲は、騒音（及びノッキング）と失火とを考慮した上で許容できる範囲ではあるが、燃焼状態が激しい側、本実施形態では着火時期が進角側にある場合には、多少なりとも騒音が増大する傾向にある。このため、燃焼が最も激しい気筒の燃焼状態を、最良な一点の燃焼状態、例えば、着火時期が圧縮上死点からの遅角角度が４°となるように移行させることは、騒音を低減する上で、より効果的である。

○また、燃焼状態の所定の範囲としては、上記実施形態では着火時期が圧縮上死点から１°〜８°遅角された範囲、というように絶対的な基準で定めることとしているが、これに限られず、例えば目標とする燃焼状態からプラスマイナス何％の範囲というように相対的に定めても良い。即ち、燃焼状態が目標から何％以上激しい側に外れている気筒５が存在する場合は全ての気筒５・５・・・について燃焼抑制制御を行い、その燃焼抑制制御の結果として燃焼状態が目標より何％以上失火側に外れることになる（と見込まれる）気筒５が存在する場合には、その気筒５についてスパークプラグ３２を選択的に作動させる、といったようにである。

○上記の実施形態では、ステップＳ１０４の処理で吸気弁１４及び排気弁１５のバルブタイミングの両方を変更するものとしたが、吸気・排気の何れか一方のみのバルブタイミングを変更するように制御しても良い。また、図６のような負のオーバーラップ期間Ｔが設定されない場合についても、本発明の制御を適用することができる。例えば、前記の燃焼抑制制御（ステップＳ１０４）として、圧縮行程での吸気弁１４の閉弁時期を変更することで実圧縮率を変え、着火性を調節することが考えられる。

○上記の実施形態では、必要に応じてバルブタイミングの変更と燃料噴射量の変更の両方が行われるように制御されているが（ステップＳ１０４、Ｓ１０５）、バルブタイミングの変更のみ又は燃料噴射量の変更のみで上記の燃焼抑制制御を行うようにしても良い。

内燃機関を備えるガスヒートポンプの系統図の一例を示した図。 本発明の一実施形態に係る内燃機関をその制御構成を示すブロック図とともに示した概略図。 内燃機関の制御フローを示すフロー図。 吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを模式的に示した図。 圧縮自着火運転処理のサブルーチンを示した図。 圧縮自着火運転における吸気弁および排気弁の開閉タイミングの設定例を模式的に示した図。

符号の説明

１ 予混合圧縮自着火式内燃機関
５ 気筒
１４ 吸気弁
１５ 排気弁
１６ 燃焼室
１９・２０ 可変バルブタイミング機構
２３ ミキサ
２４ イオン電流センサ（センサ）
２５ ＥＣＵ（制御装置）
３２ スパークプラグ（点火装置）

Claims (7)

1. 複数の気筒を有する予混合圧縮自着火式内燃機関であって、
   それぞれの前記気筒の燃焼状態を取得可能なセンサと、
   前記センサに電気的に接続される制御装置と、
   前記気筒のそれぞれに設けられる点火装置と、
   燃料ガスと空気との混合気を前記複数の気筒それぞれに分配するとともに燃料供給量を変更可能なミキサと、を備え、
   前記制御装置は、
   前記複数の気筒のそれぞれについての燃焼状態を前記センサから取得し、
   着火時期の早さ、筒内圧力上昇率の高さ、熱発生率の高さ、熱発生量の高さ、および、ノックセンサの検出値の高さ、のうち何れか１つを使用すること又は複数を組み合わせることで定義される燃焼の激しさを表す定量的な指標が最も大きい特定気筒を特定し、
   前記特定気筒の燃焼状態が所定範囲内になるように、吸気弁のバルブタイミングと排気弁のバルブタイミングとミキサの燃料供給量のうちの少なくとも何れか一つを全ての前記気筒で共通して変更することで、全ての前記気筒についての燃焼を抑制する燃焼抑制制御を行い、
   前記燃焼抑制制御は、前記吸気弁のバルブタイミング又は前記排気弁のバルブタイミングの少なくとも何れか一方の変更が優先的に行われ、それでも燃焼状態を所定範囲内に移行させることができない場合に前記ミキサの燃料供給量の変更が行われ、
   燃焼状態が前記所定範囲から失火側に外れている気筒の前記点火装置が着火補助を行うように当該点火装置を選択的に作動させることを特徴とする、予混合圧縮自着火式内燃機関。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関であって、前記燃焼抑制制御は、前記特定気筒の燃焼状態が前記所定範囲内の一点を示す燃焼状態に移行するように行われることを特徴とする予混合圧縮自着火式内燃機関。
3. 請求項１又は請求項２に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関であって、前記センサは、イオン電流センサ、筒内圧センサ、又はノックセンサのうち少なくとも何れか一つであることを特徴とする予混合圧縮自着火式内燃機関。
4. 請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関であって、
   当該内燃機関は、排気上死点付近において、排気弁及び吸気弁を何れも閉じることにより負のオーバーラップ期間を有するように設定されていることを特徴とする、予混合圧縮自着火式内燃機関。
5. 請求項４に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関であって、前記の吸気弁のバルブタイミング又は排気弁のバルブタイミングの少なくとも何れか一方の制御は前記負のオーバーラップ期間を変更するように行われることを特徴とする、予混合圧縮自着火式内燃機関。
6. 請求項４又は請求項５に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関であって、前記点火装置の選択的な作動は前記負のオーバーラップ期間中に行われることを特徴とする、予混合圧縮自着火式内燃機関。
7. 請求項５又は請求項６に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関であって、前記負のオーバーラップ期間中には全気筒分の前記点火装置が作動される一方、圧縮行程においては前記点火装置の選択的な作動が行われることを特徴とする、予混合圧縮自着火式内燃機関。

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