JP4748255B2

JP4748255B2 - エンジンの制御方法および制御装置

Info

Publication number: JP4748255B2
Application number: JP2009133760A
Authority: JP
Inventors: 洋幸山下; 祐利瀬戸; 佑介河合
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2029-06-03
Also published as: JP2010281235A; US8417437B2; EP2264303B1; US20100312455A1; EP2264303A1

Description

本発明は、少なくともエンジンの部分負荷域に設定されたＨＣＣＩ領域で、排気行程から吸気行程にかけて吸排気弁をともに閉じるマイナスオーバーラップ期間を設け、その間に残留する既燃ガスにより気筒内の温度を高めるとともに、少なくとも吸気行程中を含む所定のタイミングでインジェクタから気筒内に燃料を噴射させることにより、気筒内に形成された予混合気を圧縮上死点付近で自着火させるエンジンの制御方法および制御装置に関する。

従来、下記特許文献１に示されるように、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自着火させる圧縮自己着火ガソリンエンジンにおいて、排気行程から吸気行程にかけて吸排気弁がともに閉じるマイナスオーバーラップ期間を設け、このマイナスオーバーラップ期間のうち、排気弁の閉時期から排気上死点までの間に、上記燃料噴射弁による１回目の燃料噴射を実施するとともに、上記燃料噴射弁による２回目の燃料噴射を吸気行程中に実施することが行われている。

この特許文献１に開示されたガソリンエンジンによれば、マイナスオーバーラップ期間中に排出されなかった既燃ガス（残留ガス）により燃焼室が高温化し、このような高温雰囲気下で上記１回目の燃料噴射が行われることで、噴射された燃料の改質が進み、混合気の着火性が向上するという利点がある。

特開２００１−８２２２９号公報

しかしながら、エンジン負荷がある程度高いときに、上記特許文献１に示されるようなタイミング（排気弁の閉時期から排気上死点までの間）で１回目の燃料噴射を行ってしまうと、噴射された燃料が排気上死点付近で燃焼し、燃焼室がさらに高温・高圧化するおそれがある。そして、このような雰囲気下で２回目の燃料噴射が行われることにより、過早着火等の異常燃焼が起きることが想定される。また、燃焼室が高温・高圧化することで、吸気行程時に十分な空気が燃焼室に取り込まれなくなくなるため、燃焼温度が上昇してＮＯｘの排出量が増大してしまうという問題がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、比較的負荷の高い領域で圧縮自己着火燃焼を行うことによる異常燃焼の発生やＮＯｘ排出量の増大を効果的に防止することが可能なエンジンの制御方法および制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、少なくともエンジンの部分負荷域に設定されたＨＣＣＩ領域で、排気行程から吸気行程にかけて吸排気弁をともに閉じるマイナスオーバーラップ期間を設け、その間に残留する既燃ガスにより気筒内の温度を高めるとともに、少なくとも吸気行程中を含む所定のタイミングでインジェクタから気筒内に燃料を噴射させることにより、気筒内に形成された予混合気を圧縮上死点付近で自着火させるエンジンの制御方法であって、上記ＨＣＣＩ領域のうち、エンジン負荷が所定値以上の領域に設定された高負荷側ＨＣＣＩ領域では、上記マイナスオーバーラップ期間中における排気上死点の経過後で、かつ筒内圧が所定値よりも低下した時点で、気筒内に燃料を噴射するＴＤＣ後噴射を実行し、その後に主たる燃料の噴射を実行することを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、排気上死点を経過して筒内圧がある程度下がってからＴＤＣ後噴射が実行されるため、噴射された燃料が燃焼せずに気化し、その気化潜熱により気筒内が十分に冷却される。そして、このように気筒内が冷却された状態で主たる燃料の噴射を実行することにより、エンジン負荷が相対的に高い高負荷側ＨＣＣＩ領域で、混合気の着火性を適度に抑制して過早着火等の異常燃焼を効果的に防止することができる。また、上記ＴＤＣ後噴射による気筒内の冷却効果により、筒内圧が低下して吸気の流入が促進されるため、吸気充填効率が向上し、燃焼温度がより低下してＮＯｘ排出量が効果的に低減されるという利点がある。

本発明において、好ましくは、上記高負荷側ＨＣＣＩ領域で、エンジン負荷が高いほど上記ＴＤＣ後噴射による燃料の噴射量を増大させる（請求項２）。

このようにすれば、気筒内が高温・高圧化し易い高負荷側ほどＴＤＣ後噴射による冷却効果を高めることができ、高負荷側での異常燃焼の発生やＮＯｘ排出量の増大をより効果的に防止できるという利点がある。

本発明において、好ましくは、エンジンの冷却水温が高いほど上記負荷の所定値と筒内圧の所定値とを低く設定する（請求項３）。

このようにすれば、エンジンの冷間・温間に応じて上記ＴＤＣ後噴射の開始時期を適正に調整でき、このＴＤＣ後噴射による気筒内の冷却効果を十分に発揮させて異常燃焼等の発生を効果的に防止できるという利点がある。

本発明において、好ましくは、上記高負荷側ＨＣＣＩ領域よりも低負荷側に設定された低負荷側ＨＣＣＩ領域では、上記マイナスオーバーラップ期間中における排気上死点よりも手前側で気筒内に燃料を噴射するＴＤＣ前噴射を実行し、その後に主たる燃料の噴射を実行する（請求項４）。

このようにすれば、エンジン負荷が相対的に低く混合気の自着火が起き難い状況で、上記ＴＤＣ前噴射に基づく補助的な燃焼を引き起こして気筒内を高温化することにより、その後の主たる燃料噴射に基づく圧縮自己着火燃焼を効果的に促進して、燃焼安定性をより向上させることができるという利点がある。

この場合、より好ましくは、上記低負荷側ＨＣＣＩ領域で、エンジン負荷が高いほど上記ＴＤＣ前噴射による燃料の噴射量を減少させる（請求項５）。

このようにすれば、上記ＴＤＣ前噴射による燃焼エネルギーを負荷に応じて低減することにより、筒内の高温化による燃焼の促進を負荷に応じた最適なレベルで実施でき、上記低負荷側ＨＣＣＩ領域での燃焼安定性をより適正に確保できるという利点がある。

また、本発明は、少なくともエンジンの部分負荷域に設定されたＨＣＣＩ領域で、排気行程から吸気行程にかけて吸排気弁をともに閉じるマイナスオーバーラップ期間を設け、その間に残留する既燃ガスにより気筒内の温度を高めるとともに、少なくとも吸気行程中を含む所定のタイミングでインジェクタから気筒内に燃料を噴射させることにより、気筒内に形成された予混合気を圧縮上死点付近で自着火させるエンジンの制御装置であって、上記インジェクタによる燃料の噴射動作を制御するインジェクタ制御手段と、エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段と、気筒内の圧力を検出する筒内圧センサとを備え、上記運転状態判定手段により判定されたエンジンの運転状態が、上記ＨＣＣＩ領域のうちエンジン負荷が所定値以上の高負荷側ＨＣＣＩ領域にあることが確認された場合、上記インジェクタ制御手段は、上記マイナスオーバーラップ期間中における排気上死点の経過後で、かつ上記筒内圧センサによる検出圧力が所定値よりも低下した時点で、気筒内に燃料を噴射するＴＤＣ後噴射を実行し、その後に主たる燃料の噴射を実行することを特徴とするものである（請求項６）。

本発明による場合でも、上述した制御方法による場合と同様の作用効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明のエンジンの制御方法および制御装置によれば、比較的負荷の高い領域で圧縮自己着火燃焼を行うことによる異常燃焼の発生やＮＯｘ排出量の増大を効果的に防止することができる。

本発明のエンジンの制御方法が適用されたエンジンの全体構成を概略的に示す図である。吸排気弁のリフト特性を説明するための図である。エンジンの燃焼を制御するために参照される制御マップの一例を示す図である。第１ＨＣＣＩ領域での燃焼制御の内容を示す図である。第２ＨＣＣＩ領域での燃焼制御の内容を示す図である。エンジン負荷に応じた燃料の噴射タイミング・噴射量の変化を示す図である。ＰＣＭにより行われる制御動作の手順を示すフローチャートである。

図１は、本発明のエンジンの制御方法が適用されたエンジンの全体構成を概略的に示す図である。本図に示されるエンジンは、紙面に直交する方向に配置された複数の気筒２（図１ではそのうちの１つのみを示す）を有したシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配置されたシリンダヘッド４とを備えた多気筒ガソリンエンジンからなるエンジン本体１を有している。このエンジン本体１の各気筒２にはピストン５が嵌挿されており、このピストン５の上面と上記シリンダヘッド４の下面との間に所定容積の燃焼室６が形成されている。上記ピストン５はコネクティングロッドを介してクランク軸７と連結されており、上記ピストン５の往復運動に応じて上記クランク軸７が軸回りに回転するようになっている。

上記燃焼室６の天井部には吸気ポート９および排気ポート１０が開口しており、これら各ポート９，１０を開閉する吸気弁１１および排気弁１２が上記シリンダヘッド４に設けられている。上記吸気弁１１および排気弁１２は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された一対のカムシャフト（図示省略）等を含む動弁機構１３によりクランク軸７の回転に同期して開閉駆動される。

上記吸気弁１１および排気弁１２用の各動弁機構１３には、可変バルブリフト機構（Variable Valve Lift Mechanism）としてのＶＶＬ１４と、可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing Mechanism）としてのＶＶＴ１５とがそれぞれ組み込まれている。上記ＶＶＬ１４は、上記吸排気弁１１，１２のリフト量（開弁量）をエンジンの運転状態に応じて変更するものであり、上記ＶＶＴ１５は、上記吸排気弁１１，１２の開閉タイミング（位相角度）をエンジンの運転状態に応じて変更するものである。なお、上記ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５は、既に様々な形式のものが実用化されて公知であるため、ここではＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５の構造についての詳細な説明は省略する。

図２は、上記ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５の制御により吸排気弁１１，１２のリフト特性（開閉タイミングおよびリフト量）がどのように変化するかを示す図である。なお、この図２において、Ｌexは排気弁１２のリフト特性を、Ｌinは吸気弁１１のリフト特性をそれぞれ表わしている。本図に示すように、上記吸排気弁１１，１２のリフト特性は、エンジンの運転状態に応じて所定範囲内で連続的に変化する。具体的には、エンジン負荷（目標トルク）および回転速度が高いほど、上記吸排気弁１１，１２のリフト量が大きくされ、かつ開弁期間も長くされる。

図２のようなリフト特性で吸排気弁１１，１２が制御される当実施形態のエンジンでは、その高回転・高負荷域を除いて、吸排気弁１１，１２がともに閉じられるマイナスオーバーラップ期間（図中のＮＶＯで示す期間）が、排気行程から吸気行程にかけて設けられる。このようなマイナスオーバーラップ期間が存在すると、気筒２の内部（燃焼室６）に所定量の既燃ガスが残留するようになり、混合気が自着火し易い高温の雰囲気が燃焼室６に生成される。なお、当明細書では、上記のような吸排気弁１１，１２の制御により気筒２内に既燃ガスを残留させる操作を、内部ＥＧＲと称する。

再び図１に戻ってエンジンの基本構造について説明する。上記エンジン本体１のシリンダヘッド４には、各気筒２の燃焼室６を臨むように点火プラグ１６が設けられており、その上方に設けられた点火回路１７からの給電に応じて、上記点火プラグ１６から所定のタイミングで放電（火花点火）が行われるようになっている。

さらに、上記シリンダヘッド４には、その吸気側の側方から燃焼室６を臨むようにインジェクタ１８が設けられている。そして、エンジンの吸気行程等においてこのインジェクタ１８から燃焼室６に対し直接燃料（ガソリン）が噴射され、噴射された燃料が空気と混合することで燃焼室６に所望の空燃比の混合気が生成されるようになっている。

上記エンジン本体１の吸気ポート９には、燃焼用の空気（新気）を燃焼室６に導入するための吸気通路２０が接続されており、また、排気ポート１０には、燃焼室６で生成された既燃ガス（排気ガス）を排出するための排気通路２５が接続されている。

上記吸気通路２０の途中部には所定容積のサージタンク２１が設けられており、このサージタンク２１よりも上流側にはスロットル弁２２が設けられている。なお、上述したように、当実施形態のエンジンでは、ＶＶＬ１４の制御により吸排気弁１１，１２のリフト量が可変的に設定されるため、上記スロットル弁２２を開閉させなくても、燃焼室６への吸気充填量を調整してエンジン出力を制御することが可能である。このことから、上記スロットル弁２２は、例えばエンジンの緊急停止時に吸気通路２０を遮断するために作動し、通常時はエンジンの部分負荷域でも全開に維持される。このように、スロットル弁２２を常時全開とすることで、ポンピングロスの低減を図ることができる。

上記排気通路２５の途中部には触媒コンバータ２７が設けられており、上記排気通路２５を通過する排気ガス中の有害成分が上記触媒コンバータ２７の作用により浄化されるようになっている。

以上のように構成されたエンジンには、その動作を統括的に制御する制御装置として、従来周知のＣＰＵや各種メモリー等からなるＰＣＭ（Powertrain Control Module）３０が設けられている。

上記ＰＣＭ３０は、エンジンの各部に設けられたセンサ類と電気的に接続されている。具体的に、上記ＰＣＭ３０には、クランク軸７の回転角（クランク角）を検出するクランク角センサ４１と、吸気通路２０を通過する吸入空気の量を検出するエアフローセンサ４２と、運転者により踏み込み操作される図外のアクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ４３と、各気筒２の燃焼室６の圧力を検出する筒内圧センサ４４と、エンジンの冷却水の温度を検出する水温センサ４５とが電気的に接続されており、これら各種センサ４１〜４５で検出された状態量が電気信号として上記ＰＣＭ３０にそれぞれ入力されるようになっている。

また、上記ＰＣＭ３０は、上記ＶＶＬ１４、ＶＶＴ１５、点火回路１７、インジェクタ１８、およびスロットル弁２２とも電気的に接続されており、これらの装置にそれぞれ駆動用の制御信号を出力するように構成されている。

図３は、上記ＰＣＭ３０がエンジンを制御する際に参照する制御マップを示す図である。本図において、高回転・高負荷域を除く比較的広範な領域に設定されたＨＣＣＩ領域Ａは、圧縮自己着火による燃焼が実行される運転領域であり、これ以外の領域に設定されたＳＩ領域Ｂは、火花点火による燃焼が実行される運転領域である。すなわち、ＨＣＣＩ領域Ａでは、主に吸気行程中に噴射された燃料に基づく混合気（予混合気）が圧縮上死点の前後で自着火するように燃焼が制御される一方、ＳＩ領域Ｂでは、点火プラグ１６からの火花点火により混合気が強制的に着火されるようになっている。

上記ＨＣＣＩ領域Ａで行われる圧縮自己着火による燃焼は、燃焼室６の各所で同時多発的に自着火する燃焼であり、従来から行われてきた火花点火による燃焼に比べて燃焼期間が短く、より高い熱効率が得られると言われている。また、圧縮自己着火による燃焼は、比較的多量の内部ＥＧＲにより希釈化されたかなりリーンな空燃比下でなされるため、火花点火による場合よりも燃焼温度が低く、生成されるＮＯｘの量が大幅に低減されるという利点がある。

一方、上記ＨＣＣＩ領域Ａよりも高回転・高負荷側に設定されたＳＩ領域Ｂで、火花点火により強制的に混合気を着火させるのは、圧縮自己着火による燃焼ではエンジン出力や燃焼制御性の点で限界があるからである。すなわち、圧縮自己着火による燃焼は、上記のようにかなりリーンな空燃比下でなされるため、得られる出力におのずと限界があり、また、リッチな空燃比下で無理に圧縮自己着火燃焼を行わせると、燃焼タイミングが早くなり過ぎて燃焼が異常化するおそれがある。そこで、当実施形態では、高回転・高負荷側の上記ＳＩ領域Ｂで、圧縮自己着火から火花点火による燃焼に切り替えるようにしている。

上記ＨＣＣＩ領域Ａは、インジェクタ１８からの燃料の噴射態様の相違によりさらに２つの領域Ａ１，Ａ２に分けられる。すなわち、両領域Ａ１，Ａ２のうち、低負荷側を第１ＨＣＣＩ領域Ａ１、高負荷側を第２ＨＣＣＩ領域Ａ２とすると、これら第１・第２ＨＣＣＩ領域Ａ１，Ａ２では、上記インジェクタ１８から燃焼室６に噴射される燃料の噴射タイミング等が適宜変更された上で、いずれも圧縮自己着火による燃焼が行われるようになっている。当実施形態では、このように燃焼条件を適宜変更しながら圧縮自己着火による燃焼を行わせることで、圧縮自己着火が可能な運転領域を比較的高負荷側まで拡大するようにしている。なお、本発明の構成との対応関係としては、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１が本発明にかかる「低負荷側ＨＣＣＩ領域」に相当し、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２が本発明にかかる「高負荷側ＨＣＣＩ領域」に相当する。

再び図１に戻って、上記ＰＣＭ３０が有する具体的な機能について説明する。ＰＣＭ３０は、その主な機能要素として、インジェクタ制御手段３１、点火制御手段３２、バルブ制御手段３３、および運転状態判定手段３４を有している。

上記インジェクタ制御手段３１は、上記インジェクタ１８による燃料の噴射動作を制御することにより、上記インジェクタ１８から燃焼室６に噴射される燃料の噴射時間（噴射量）や噴射時期を制御するものである。

上記点火制御手段３２は、上記点火回路１７から点火プラグ１６への給電を制御することにより、上記点火プラグ１６による火花放電のタイミング等を制御するものである。なお、上述したように、当実施形態では、高回転・高負荷域に設定されたＳＩ領域Ｂでのみ火花点火による燃焼が行われ、これ以外の運転領域（つまりＨＣＣＩ領域Ａ）では圧縮自己着火による燃焼が行われるため、上記点火回路１７からの給電動作は、基本的に上記ＳＩ領域Ｂでのみ実行される。

上記バルブ制御手段３３は、上記ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５の駆動を制御することにより、上記吸排気弁１１，１２の開閉タイミングやリフト量を図２に示したようなリフト特性の範囲で制御するものである。

上記運転状態判定手段３４は、上記アクセル開度センサ４３やクランク角センサ４１の検出値に基づきエンジンの負荷（要求トルク）や回転速度を読み込むとともに、これらの値から特定されるエンジンの運転状態が、図３に示した制御マップの中でどの位置に相当するかを判定するものである。この判定結果は、上述した各制御手段３１〜３３が行う制御の内容に反映される。すなわち、上記運転状態判定手段３４によりエンジンの運転状態が逐次判定されると、その判定結果に応じた条件でエンジンの各部（例えばインジェクタ１８、点火回路１７、ＶＶＬ１４、およびＶＶＴ１５等）を駆動する制御が、上記インジェクタ制御手段３１、点火制御手段３２、およびバルブ制御手段３３によりそれぞれ実行されるようになっている。

次に、以上のように構成されたＰＣＭ３０による燃焼制御の内容を図４および図５を用いて具体的に説明する。これら図４および図５では、吸排気弁１１，１２のリフト量、インジェクタ１８のＯＮ／ＯＦＦ、および筒内圧という３つの状態量の変化を、クランク角との関係で同時に示している。

まず、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１での制御を図４を用いて説明する。本図に示すように、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１では、吸排気弁１１，１２がともに閉じられるマイナスオーバーラップ期間ＮＶＯのうち、排気上死点よりも手前側にあたる所定のタイミングで、インジェクタ１８からの１回目の燃料噴射Ｆ１ｓが実行される。その後、排気上死点が経過してから所定時間経過後の吸気行程中に、上記１回目の燃料噴射Ｆ１ｓよりも多量の燃料を噴射する（つまり噴射期間の長い）２回目の燃料噴射Ｆ１ｍが実行される。

上記１回目の燃料噴射Ｆ１ｓは、燃焼室６を高温化するための補助的な燃料噴射として実行される。すなわち、排気上死点の近傍では、上記マイナスオーバーラップ期間ＮＶＯ中に残留する既燃ガスと、ピストン５による圧縮作用とにより、気筒２内が高温化するため、上記１回目の燃料噴射Ｆ１ｓにより噴射された燃料は、上記のような高温雰囲気下で自着火して燃焼し（Ｊ１ｓ）、これによって気筒２内がさらに高温化する。その後、吸気行程中に吸気弁１１が開いて燃焼室６に新気が導入されるが、上記のように１回目の燃料噴射Ｆ１ｓに基づく圧縮自己着火燃焼Ｊ１ｓが起きていれば、低温の新気が導入されても圧縮上死点付近での筒内温度が十分に高温に維持され、その結果、２回目の燃料噴射Ｆ１ｍに基づく混合気の自着火が促進されて圧縮自己着火燃焼Ｊ１ｍが確実に引き起こされる。なお、以下では、排気上死点の手前で補助的に実行される１回目の燃料噴射Ｆ１ｓをＴＤＣ前噴射、その後の吸気行程中に実行される２回目の燃料噴射Ｆ１ｍをメイン噴射と称する。

ところで、上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓに基づく１回目の圧縮自己着火燃焼Ｊ１ｓは、前回の燃焼サイクルでメイン噴射Ｆ１ｍによる燃焼Ｊ１ｍが起きた後の低酸素雰囲気下で行われるが、上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓにより噴射される燃料もその分少ないため、燃焼反応時に特に余剰な燃料が生じることはないと考えられる。しかも、排気上死点付近で行われる上記燃焼Ｊ１ｓのエネルギーがピストン５を押し下げて外部に仕事をするため、この燃焼Ｊ１ｓのエネルギーは無駄なくエンジン出力として取り出される。すなわち、上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓによる燃料は、気筒２内を高温化してその後のメイン噴射Ｆ１ｍに基づく圧縮自己着火燃焼Ｊ１ｍを促進するだけでなく、自身の燃焼反応により外部に仕事をする役割をも果たしている。

次に、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２での制御を図５を用いて説明する。本図に示すように、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、吸排気弁１１，１２がともに閉じられるマイナスオーバーラップ期間ＮＶＯのうち、排気上死点を経過した後の所定のタイミングで、インジェクタ１８からの１回目の燃料噴射Ｆ２ｓが実行される。また、これに続いて、上記１回目の燃料噴射Ｆ２ｓよりも多量の燃料を噴射する（つまり噴射期間の長い）２回目の燃料噴射Ｆ２ｍが、吸気行程中に実行される。なお、以下では、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２において実行される１回目の燃料噴射をＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓ、２回目の燃料噴射をメイン噴射Ｆ２ｍと称する。

上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓは、より具体的に、排気上死点の経過後に筒内圧が所定値Ｙよりも低下した時点Ｔ１で実行される。なお、筒内圧が所定値Ｙよりも低下したことは、上記筒内圧センサ４５の検出値に基づき特定される。上記時点Ｔ１でＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓが実行されることで、噴射された燃料が燃焼することなく気化し、その気化潜熱によって気筒２内が冷却される。そして、このように筒内が冷却された後に、メイン噴射Ｆ２ｍが２回目の燃料噴射として実行されることにより、その噴射燃料に基づく圧縮自己着火燃焼Ｊ２が適正時期に引き起こされ、過早着火等の異常燃焼が防止されるようになっている。

すなわち、相対的に負荷の高い上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、気筒２内の温度・圧力がある程度高く、圧縮自己着火燃焼が比較的起き易いため、メイン噴射Ｆ２ｍのみで必要量の燃料を一度に噴射してしまうと、過早着火等の異常燃焼が起きるおそれがある。そこで、当実施形態では、筒内圧が所定値Ｙ未満になる上記時点Ｔ１でＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓを補助的に実行することにより、その噴射燃料の気化潜熱により気筒２内を効果的に冷却し、その状態でメイン噴射Ｆ２ｍを実行するようにしている。これにより、混合気の着火性を適度に抑制して過早着火等の異常燃焼を効果的に防止することができる。

また、上記のように排気上死点の直後（吸気行程の前半）に行われるＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓにより気筒２内が冷却されると、これに伴い筒内圧が低下するため、吸気弁１１が開いたときにより多量の空気が気筒２内に流入し、吸気充填効率が向上するという利点も得られる。

上述したように、上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓは、メイン噴射Ｆ２ｍの前に筒内を冷却することが目的であるから、その実行タイミングは、燃料を噴射しても圧縮自己着火が起きないようなタイミングに設定する必要がある。ただし、気筒２内をより効果的に冷却する観点からすると、上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓは、できるだけ排気上死点の近くで実行することが望ましい。このため、その実行タイミング（図５の時点Ｔ１）を決定するための上記筒内圧の所定値Ｙは、燃料を噴射しても自着火が起きないような圧力範囲の中で、できるだけ高い値に設定される。このような値に上記所定値Ｙを設定することで、自着火しないながらも比較的温度・圧力が高い状態で上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓが行われるため、噴射された燃料がピストン５等の表面に付着する前に速やかに気化し、その気化潜熱により気筒２内がより効果的に冷却されるという利点がある。

混合気が自着火しない範囲でできるだけ高い筒内圧に設定される上記所定値Ｙは、エンジンの運転状態（負荷および回転速度）や、エンジンの冷間・温間により異なる値をとる。このため、上記所定値Ｙは、上記ＰＣＭ３０が内蔵する記憶手段にマップ形式の記憶データとしてあらかじめ記憶されており、その記憶データの中から、各時点でのエンジン負荷、回転速度、冷却水温（つまりアクセル開度センサ４３、クランク角センサ４１、および水温センサ４５の検出値）に応じて都度読み出される。

このうち、エンジンの冷却水温と上記所定値Ｙについて説明すると、上記所定値Ｙは、エンジンの冷却水温が高いほど低い値に設定される。これは、冷却水温が高いエンジンの温間時は、気筒２内の温度が高く自着火が起き易いため、筒内圧が比較的低くなってから燃料を噴射しないと、自着火が起きて筒内の冷却効果が得られなくなるからである。

図６は、エンジン負荷の高まりとともに燃料の噴射タイミング・噴射量がどのように変化するかを示す図である。具体的に、この図６では、図３の制御マップ上において、エンジンの運転状態がラインＬ（等回転速度線）に沿って変化した場合に、上記インジェクタ１８からの燃料の噴射タイミング・噴射量がどのように変化するかが示されている。なお、図３および図６において、エンジンの負荷点Ｘ１は、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１と第２ＨＣＣＩ領域Ａ２との境界値を、負荷点Ｘ２は、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２とＳＩ領域Ｂとの境界値を、負荷点Ｘ３は、ＳＩ領域Ｂの負荷の最大値（最高負荷点）をそれぞれ表わしている。

図６に示すように、無負荷から負荷点Ｘ１までの第１ＨＣＣＩ領域Ａ１では、排気上死点の手前で実行されるＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓによる噴射量が、負荷の増大に伴い低減されるとともに、吸気行程中に実行されるメイン噴射Ｆ１ｍによる噴射量が、負荷に比例して増大される。

このうち、ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓによる噴射量が負荷の増大に伴い低減されるのは、負荷が高いほどメイン噴射Ｆ１ｍに基づく圧縮自己着火燃焼（図４のＪ１ｍ）が起き易くなるためである。すなわち、上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓの目的は、排気上死点付近で１回目の圧縮自己着火燃焼Ｊ１ｓを起こして筒内の高温化を図ることにより、その後のメイン噴射Ｆ１ｍに基づく２回目の圧縮自己着火燃焼Ｊ１ｍを促進するというものであるが、負荷がある程度高まれば、上記のような１回目の燃焼Ｊ１ｓによるエネルギーが少なくても、筒内が十分に高温化して２回目の燃焼Ｊ１ｍが確実に引き起こされると考えられる。このような点を考慮して、当実施形態では、上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓによる噴射量を負荷の増大に伴い低減するようにしている。

一方、上記メイン噴射Ｆ１ｍによる噴射量は、上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓのときとは逆に、負荷に比例して増大される。これは、負荷に比例してメイン噴射量を増大させることで、要求トルクに応じた十分な燃焼エネルギーを発生させるためである。

また、図６において、負荷点Ｘ１からＸ２までの第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、排気上死点の直後に実行されるＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓによる噴射量と、その後に実行されるメイン噴射Ｆ２ｍによる噴射量とが、ともに負荷に比例して増大される。

このうち、ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓによる噴射量が負荷に比例して増大されるのは、負荷が高いほど、気筒２内が高温・高圧化して過早着火等の異常燃焼が起き易くなるためである。すなわち、上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓの目的は、燃料の気化潜熱を利用して気筒２内を冷却することにより、その後の圧縮自己着火燃焼Ｊ２の際に過早着火等が起きるのを防止するというものであるが、気筒２内が高温・高圧化し易い高負荷側ほど、気筒２内を十分に冷却して確実に異常燃焼を防止する必要がある。そこで、当実施形態では、上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓによる噴射量を負荷に比例して増大させるようにしている。

一方、上記メイン噴射Ｆ２ｍによる噴射量については、負荷の増大に応じた十分な燃焼エネルギーを発生させるために、やはり負荷に比例して増大される。

以上のように、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１および第２ＨＣＣＩ領域Ａ２（無負荷から負荷点Ｘ２までの範囲）では、ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓもしくはＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓと、メイン噴射Ｆ１ｍ、Ｆ２ｍとの２回に分けて燃料が噴射され、いずれも圧縮自己着火による燃焼が行われる。これに対し、上記負荷点Ｘ２よりも高負荷側のＳＩ領域Ｂでは、燃焼形式が圧縮自己着火から火花点火に切り替わるため、燃料は１回の燃料噴射Ｆ３により一括して噴射される。なお、ここでの燃料噴射Ｆ３は、上記第１・第２ＨＣＣＩ領域Ａ１，Ａ２でのメイン噴射Ｆ１ｍ，Ｆ２ｍのときと同様に、吸気行程中に行われ、その噴射量は負荷に比例して増大される。

ここで、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１と第２ＨＣＣＩ領域Ａ２との境界となる負荷点Ｘ１、および、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２とＳＩ領域Ｂとの境界となる負荷点Ｘ２の各値は、エンジンの冷間・温間に応じて可変的に設定される。例えば、第１・第２ＨＣＣＩ領域Ａ１，Ａ２の境界値である負荷点Ｘ１は、上記水温センサ４５により検出されたエンジンの冷却水温が高いほど低く設定される。これは、冷却水温が高いエンジンの温間時は、気筒２内の温度が高く自着火が起き易いため、比較的負荷の低い段階から第２ＨＣＣＩ領域Ａ２に移行して、ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓにより気筒２内を冷却しながら圧縮自己着火燃焼を行わせる必要があるからである。

図７は、上記ＰＣＭ３０により行われる制御動作の手順を示すフローチャートである。なお、この図７では、特に、エンジンの運転状態に応じた燃料の噴射制御を中心に説明を行う。本図に示されるフローチャートがスタートすると、まず、各種センサ値を読み込む制御が実行される（ステップＳ１）。具体的には、上記クランク角センサ４１、エアフローセンサ４２、アクセル開度センサ４３、筒内圧センサ４４、および水温センサ４５の検出値に基づいて、エンジンの回転速度、吸入空気量、負荷（要求トルク）、筒内圧、および冷却水温が読み込まれる。

次いで、上記ステップＳ１で読み込まれたセンサ値に基づいて、現在のエンジンの運転状態（負荷・回転速度）が図３の制御マップにおけるＨＣＣＩ領域Ａにあるか否かを判定する制御が、上記運転状態判定手段３４により実行される（ステップＳ２）。

上記ステップＳ２でＹＥＳと判定されてＨＣＣＩ領域Ａにあることが確認された場合には、現在のエンジン負荷（要求トルク）が図３の所定値Ｘ１以上であるか否かを判定する制御、つまり、エンジンの運転状態が第２ＨＣＣＩ領域Ａ２にあるか否かを判定する制御が、上記運転状態判定手段３４により実行される（ステップＳ３）。なお、上述したように、上記負荷の所定値（負荷点）Ｘ１は、上記ステップＳ１で取得されたエンジンの冷却水温が高いほど低く設定される。

一方、上記ステップＳ２でＮＯと判定された場合、つまり、エンジンの運転状態がＳＩ領域Ｂにあることが確認された場合には、ステップＳ１３に移行して、点火プラグ１６を用いた火花点火による燃焼が実行される（火花点火モード）。

上記ステップＳ３でＹＥＳと判定されて第２ＨＣＣＩ領域Ａ２にあることが確認された場合には、図５および図６に示したＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓおよびメイン噴射Ｆ２ｍで噴射すべき燃料の量をエンジン負荷等に基づき演算する制御が実行される（ステップＳ４）。

次いで、上記ステップＳ１で取得されたクランク角センサ４１の検出値に基づいて、ピストン５が排気上死点を経過したか否かを判定する制御が実行され（ステップＳ５）、ここでＹＥＳと判定された場合に、上記筒内圧センサ４４の検出値に基づいて、筒内圧が図５に示した所定値Ｙよりも低下したか否かを判定する制御が実行される（ステップＳ６）。

上記ステップＳ６でＹＥＳと判定されて筒内圧が所定値Ｙ未満になったことが確認された場合には、上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓとして、上記インジェクタ１８から規定量の燃料（上記ステップＳ４で演算されたＴＤＣ後噴射量）を噴射する制御が、上記インジェクタ制御手段３１により実行される（ステップＳ７）。

次いで、上記ステップＳ１で取得されたクランク角センサ４１の検出値に基づいて、上記メイン噴射Ｆ２ｍを実行すべきタイミングか否かを判定する制御が実行される（ステップＳ８）。そして、ここでＹＥＳと判定された場合に、上記メイン噴射Ｆ２ｍとして、上記インジェクタ１８から規定量の燃料（上記ステップＳ４で演算されたメイン噴射量）を噴射する制御が、上記インジェクタ制御手段３１により実行される（ステップＳ９）。

次に、上記ステップＳ３でＮＯと判定された場合、つまり、エンジンの運転状態が第１ＨＣＣＩ領域Ａ１にある場合の制御動作について説明する。この場合は、まず、図４および図６に示したＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓおよびメイン噴射Ｆ１ｍで噴射すべき燃料の量をエンジン負荷等に基づき演算する制御が実行される（ステップＳ１０）。

次いで、上記ステップＳ１で取得されたクランク角センサ４１の検出値に基づいて、上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓを行うべきタイミングにあるか否かを判定する制御が実行される（ステップＳ１１）。例えば、ピストン５が排気上死点の所定角度手前まで上昇した時点で、上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓの実行タイミングになったと判定する。

そして、上記ステップＳ１１でＹＥＳと判定されると、上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓとして、上記インジェクタ１８から規定量の燃料（上記ステップＳ１０で演算されたＴＤＣ前噴射量）を噴射する制御が、上記インジェクタ制御手段３１により実行される（ステップＳ１２）。また、その後は、上記ステップＳ８，Ｓ９に移行して、所定のタイミングでメイン噴射Ｆ１ｍを実行する制御が実行される。

以上説明したように、当実施形態では、エンジンの運転状態が、圧縮自己着火燃焼が行われるＨＣＣＩ領域Ａのうち、エンジン負荷が所定値Ｘ１以上の第２ＨＣＣＩ領域Ａ２にあることが確認された場合に、吸排気弁１１，１２がともに閉じるマイナスオーバーラップ期間ＮＶＯ中における排気上死点の経過後で、かつ筒内圧が所定値Ｙよりも低下した時点Ｔ１で、気筒２内に直接燃料を噴射するＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓを実行し、その後に、主たる燃料の噴射としてのメイン噴射Ｆ２ｍを実行するようにした。このような構成によれば、比較的負荷の高い領域で圧縮自己着火燃焼を行うことによる異常燃焼の発生やＮＯｘ排出量の増大を効果的に防止できるという利点がある。

すなわち、上記構成によれば、排気上死点を経過して筒内圧がある程度下がってからＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓが実行されるため、噴射された燃料（ガソリン）が燃焼せずに気化し、その気化潜熱により気筒２内が十分に冷却される。そして、このように気筒２内が冷却された状態でメイン噴射Ｆ２ｍを実行することにより、エンジン負荷が相対的に高い第２ＨＣＣＩ領域Ａ２で、混合気の着火性を適度に抑制して過早着火等の異常燃焼を効果的に防止することができる。また、上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓによる気筒２内の冷却効果により、筒内圧が低下して吸気の流入が促進されるため、吸気充填効率が向上し、燃焼温度がより低下してＮＯｘ排出量が効果的に低減されるという利点がある。

特に、上記実施形態では、図６に示したように、エンジン負荷が高いほど上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓによる燃料の噴射量を増大させるようにしたため、気筒２内が高温・高圧化し易い高負荷側ほどＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓによる冷却効果を高めることができ、高負荷側での異常燃焼の発生やＮＯｘ排出量の増大をより効果的に防止できるという利点がある。

また、上記実施形態では、エンジンの冷却水温が高いほど、上記負荷の所定値Ｘ１および筒内圧の所定値Ｙを低く設定するようにしたため、エンジンの冷間・温間に応じて上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓの開始時期を適正に調整でき、このＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓによる気筒２内の冷却効果を十分に発揮させて異常燃焼等の発生を効果的に防止できるという利点がある。

すなわち、エンジンの冷却水温が高いエンジンの温間時に上記負荷の所定値Ｘ１を低下させると、ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓが行われる上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２をより低負荷側まで拡大できるため、比較的負荷の低い段階から上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓを開始して気筒２内を冷却することができ、相対的に混合気が自着火し易いエンジンの温間時でも適正に異常燃焼等の発生を防止することができる。また、冷却水温が高く自着火が起き易い状況で上記筒内圧の所定値Ｙを低下させることにより、燃焼サイクル中における上記ＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓの開始時期が排気上死点に対しより遅れることとなるため、噴射された燃料が燃焼反応を起こして筒内が高温化してしまうことが回避され、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２においてＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓによる冷却効果をより確実に発揮させることができるという利点がある。

また、上記実施形態では、エンジンの運転状態が、上記第２ＨＣＣＩ領域よりも低負荷側に設定された第１ＨＣＣＩ領域Ａ１にあることが確認された場合に、上記マイナスオーバーラップ期間ＮＶＯ中における排気上死点よりも手前側で燃料を噴射するＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓを実行し、その後にメイン噴射Ｆ１ｍを実行するようにした。このような構成によれば、エンジン負荷が相対的に低く混合気の自着火が起き難い状況で、上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓに基づく補助的な燃焼Ｊ１ｓ（図４）を引き起こして気筒２内を高温化することにより、その後のメイン噴射Ｆ１ｍに基づく圧縮自己着火燃焼Ｊ１ｍを効果的に促進して、燃焼安定性をより向上させることができるという利点がある。

特に、上記実施形態では、図６に示したように、エンジン負荷が高いほど上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓによる燃料の噴射量を減少させるようにしたため、上記ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓによる燃焼エネルギーを負荷に応じて低減することにより、筒内の高温化による燃焼の促進を負荷に応じた最適なレベルで実施でき、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１での燃焼安定性をより適正に確保できるという利点がある。

なお、上記実施形態では、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２でのＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓの実行タイミングを、マイナスオーバーラップ期間ＮＶＯ中における排気上死点の経過後で、かつ筒内圧が所定値Ｙよりも低下した時点Ｔ１に設定したが、このような時点Ｔ１を特定するための具体的手法は、上記実施形態のように筒内圧センサ４４の検出値に基づくものに限られない。例えば、エアフローセンサ４２の検出値に基づく吸気充填量や、クランク角センサ４１の検出値に基づくエンジン回転速度、もしくは図外の排ガス温度センサの検出値に基づく排気ガスの温度等を取得し、これらの値から特定されるエンジンの運転状態に基づいて、筒内圧が所定値Ｙを低下する上記時点Ｔ１を演算により求めるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓが行われる第１ＨＣＣＩ領域Ａ１の上限の負荷点Ｘ１を越えると、直ちに第２ＨＣＣＩ領域Ａ２に移行してＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓからＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓに切り替えるようにしたが、これらＴＤＣ前噴射Ｆ１ｓおよびＴＤＣ後噴射Ｆ２ｓを両方とも行わない（つまりメイン噴射のみを行う）運転領域を、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１と第２ＨＣＣＩ領域Ａ２との間に設けてもよい。

また、上記実施形態では、インジェクタ１８から気筒２内に燃料としてのガソリンを直接噴射する直噴式のガソリンエンジンに本発明の制御方法を適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明のエンジンの制御方法は、吸気ポート９に燃料を噴射するポート噴射式のガソリンエンジンにも好適に適用することができる。

２気筒
１１吸気弁
１２排気弁
１８インジェクタ
３１インジェクタ制御手段
３４運転状態判定手段
４４筒内圧センサ
ＡＨＣＣＩ領域
Ａ１第１ＨＣＣＩ領域（低負荷側ＨＣＣＩ領域）
Ａ２第２ＨＣＣＩ領域（高負荷側ＨＣＣＩ領域）
ＮＶＯマイナスオーバーラップ期間
Ｆ１ｓＴＤＣ前噴射
Ｆ１ｍメイン噴射（主たる燃料の噴射）
Ｆ２ｓＴＤＣ後噴射
Ｆ２ｍメイン噴射（主たる燃料の噴射）
Ｘ１（負荷の）所定値
Ｙ（筒内圧の）所定値
Ｔ１時点

Claims

少なくともエンジンの部分負荷域に設定されたＨＣＣＩ領域で、排気行程から吸気行程にかけて吸排気弁をともに閉じるマイナスオーバーラップ期間を設け、その間に残留する既燃ガスにより気筒内の温度を高めるとともに、少なくとも吸気行程中を含む所定のタイミングでインジェクタから気筒内に燃料を噴射させることにより、気筒内に形成された予混合気を圧縮上死点付近で自着火させるエンジンの制御方法であって、
上記ＨＣＣＩ領域のうち、エンジン負荷が所定値以上の領域に設定された高負荷側ＨＣＣＩ領域では、上記マイナスオーバーラップ期間中における排気上死点の経過後で、かつ筒内圧が所定値よりも低下した時点で、気筒内に燃料を噴射するＴＤＣ後噴射を実行し、その後に主たる燃料の噴射を実行することを特徴とするエンジンの制御方法。
請求項１記載のエンジンの制御方法において、
上記高負荷側ＨＣＣＩ領域では、エンジン負荷が高いほど上記ＴＤＣ後噴射による燃料の噴射量を増大させることを特徴とするエンジンの制御方法。
請求項１または２記載のエンジンの制御方法において、
エンジンの冷却水温が高いほど上記負荷の所定値と筒内圧の所定値とを低く設定することを特徴とするエンジンの制御方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの制御方法において、
上記高負荷側ＨＣＣＩ領域よりも低負荷側に設定された低負荷側ＨＣＣＩ領域では、上記マイナスオーバーラップ期間中における排気上死点よりも手前側で気筒内に燃料を噴射するＴＤＣ前噴射を実行し、その後に主たる燃料の噴射を実行することを特徴とするエンジンの制御方法。
請求項４記載のエンジンの制御方法において、
上記低負荷側ＨＣＣＩ領域では、エンジン負荷が高いほど上記ＴＤＣ前噴射による燃料の噴射量を減少させることを特徴とするエンジンの制御方法。
少なくともエンジンの部分負荷域に設定されたＨＣＣＩ領域で、排気行程から吸気行程にかけて吸排気弁をともに閉じるマイナスオーバーラップ期間を設け、その間に残留する既燃ガスにより気筒内の温度を高めるとともに、少なくとも吸気行程中を含む所定のタイミングでインジェクタから気筒内に燃料を噴射させることにより、気筒内に形成された予混合気を圧縮上死点付近で自着火させるエンジンの制御装置であって、
上記インジェクタによる燃料の噴射動作を制御するインジェクタ制御手段と、
エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段と、
気筒内の圧力を検出する筒内圧センサとを備え、
上記運転状態判定手段により判定されたエンジンの運転状態が、上記ＨＣＣＩ領域のうちエンジン負荷が所定値以上の高負荷側ＨＣＣＩ領域にあることが確認された場合、上記インジェクタ制御手段は、上記マイナスオーバーラップ期間中における排気上死点の経過後で、かつ上記筒内圧センサによる検出圧力が所定値よりも低下した時点で、気筒内に燃料を噴射するＴＤＣ後噴射を実行し、その後に主たる燃料の噴射を実行することを特徴とするエンジンの制御装置。