JP4831040B2

JP4831040B2 - ガソリンエンジンの制御装置

Info

Publication number: JP4831040B2
Application number: JP2007259802A
Authority: JP
Inventors: 洋幸山下; 健生山内; 祐利瀬戸
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2007-10-03
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-10-03
Also published as: JP2009085198A

Description

本発明はガソリンエンジンの制御装置に関する。

一般に予混合圧縮自己着火燃焼（ＨＣＣＩ：Homogeneous-Charge Compression-Ignition combustion。）運転（以下、「圧縮自己着火運転」ともいう）を実行するに当たり、特許文献１に示すように、所定の運転領域において、排気弁の閉弁タイミングと吸気弁の開弁タイミングとを変更することにより、排気上死点の前後に吸気弁と排気弁の双方が閉じるネガティブオーバラップ期間を生じさせ、既燃ガスを内部ＥＧＲとして燃焼室に残留させる技術が知られている。このような圧縮自己着火運転は、排気性能の向上、燃費の向上、或いはポンピングロスの低減等を図る技術である。

特許文献１に開示された先行技術では、外部環境や過渡状態でも安定した圧縮自己着火運転を実現するために、エンジンの負荷、回転数、および外部環境を表す少なくとも一つのパラメータに応じて、ネガティブオーバラップ期間を変更する技術等が開示されている。具体的には、吸気温度や油水温が低いほど、ネガティブオーバラップ期間を長くしたり、筒内に反応性の高い活性種を生成するためにネガティブオーバラップ期間に一部の燃料を噴射したりする等、着火遅れの短縮を図り、圧縮自己着火の燃焼安定性を向上するようにしている。

また、特許文献２には、部分負荷運転領域のうち、低速低負荷運転領域でエンジンを２サイクル運転する技術が開示されている。

なお、ネガティブオーバラップ期間を生成する技術としては、例えば、特許文献３や特許文献４に開示された動弁機構が一般的に知られている。
特開２００２−１２９９９１号公報特開２００４−２３９０６５号公報特開２００６−３３６４９４号公報特開２００６−３４８７７４号公報

しかしながら、各特許文献１〜４に開示されている技術では、圧縮自己着火を実現するために充分な着火遅れの短縮を図ることができない場合があった。例えば、極冷間時等においては、ネガティブオーバラップ期間の延長によって有効圧縮比が小さくなったり、冷却損失が大きくなったりする等、燃費が悪くなるおそれがあった。また、ネガティブオーバラップ期間に一部の燃料を噴射する方法では、圧縮自己着火のために必要な時間内に必要な上昇分だけ筒内を昇温することが困難であるため、着火遅れの短縮を図ることは困難であった。さらに、特許文献２に開示されているように、低速低負荷運転領域で２サイクル運転を実行する場合では、充分なトルクを確保するために、上死点経過後の後半から下死点通過後の前半にかけて掃気運転を要する結果、幾何学的圧縮比を相当高く設定する必要があり、実用化が困難であるとともに、排気弁の閉弁前に燃料を噴射する必要があり、排気性能の点で問題があった。

本発明は上記不具合に鑑みてなされたものであり、極冷間時等の環境下でも燃焼安定性を高く維持することのできる実用性の高いガソリンエンジンの制御装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は、少なくともエンジンの部分負荷運転領域で、排気弁の閉タイミングを排気上死点前に進角し、吸気弁の開タイミングを排気上死点後に遅角して、排気上死点の前後に前記排気弁と前記吸気弁とが何れも閉じるネガティブオーバラップ期間を設けるガソリンエンジンの制御装置において、前記エンジンの要求負荷および前記エンジンの筒内温度を推定する機能を少なくとも含み、前記エンジンを含む車両の運転状態を判定する運転状態判定部と、前記運転状態判定部の判定に基づいて筒内での燃焼を制御する燃焼制御部とを備え、前記燃焼制御部は、前記部分負荷運転領域において、所定の暖機条件が成立している場合には、前記ネガティブオーバラップ期間で一部の燃料を予備的に圧縮自己着火させ、その後、前記排気弁が閉じられたままの状態で残余の燃料を噴射させて圧縮上死点経過後に圧縮自己着火させる予備着火モードで筒内での燃焼を制御し、前記部分負荷運転領域において、前記暖機条件が不成立の場合には、排気上死点経過後に燃料を噴射させて圧縮上死点経過後に圧縮自己着火させる通常モードで筒内での燃焼を制御するものであることを特徴とするガソリンエンジンの制御装置である。

この態様では、部分負荷運転領域において、通常モードでは、燃焼制御部が排気上死点経過後に燃料を噴射させることにより、この燃料噴霧が圧縮上死点の経過直後に自己着火し、エンジンが運転される。他方、部分負荷運転領域において、極冷間時等、所定の暖機条件が成立した場合には、排気弁の閉タイミングが排気上死点前に進角し、吸気弁の開タイミングが排気上死点後に遅角することにより、排気上死点の前後に排気上死点の前後に吸気弁と排気弁の双方が閉じるネガティブオーバラップ期間が形成され、既燃ガスが筒内に残留する（予備着火モード）。この予備着火モードでは、気筒のネガティブオーバラップ期間において一部の燃料が予備的に圧縮自己着火し、その後、排気弁が閉じられたままの状態で残余の燃料が再度噴射されて、圧縮上死点経過直後に圧縮自己着火することになる。この予備的な圧縮自己着火により、筒内の昇温や圧力上昇が促進されるので、極冷間時等においても排気上死点経過後に噴射された燃料の着火遅れが大幅に低減し、燃焼安定性が飛躍的に向上する。

好ましい態様において、前記燃焼制御部は、前記予備着火モードで前記エンジンが運転される場合に、前記排気弁の閉タイミングから排気上死点までの期間よりも排気上死点から前記吸気弁の開タイミングまでの期間の方が長くなるように排気弁の閉タイミングを進角させ、前記吸気弁の開タイミングを遅角させるものである。この態様では、ネガティブオーバラップ期間での予備的な圧縮自己着火によって筒内の温度と圧力が上昇することに伴い、筒内の充分な膨張期間を確保することにより、吸気弁が開いた際に既燃ガスが吸気系に逆流するのを阻止することができる。

好ましい態様において、前記運転状態判定部は、前記エンジンの当該筒内温度が所定温度以下と推定される場合に前記暖機条件が成立したものと判定するものである。

好ましい態様において、前記運転状態判定部は、前記エンジンの当該吸気温度が所定温度以下と推定される場合に前記暖機条件が成立したものと判定するものである。

好ましい態様において、前記燃焼制御部は、前記エンジンの始動後火花点火による運転回数が所定サイクル数未満である場合には、前記暖機条件の成立に拘わらず、火花点火運転を実行するものである。この態様では、ネガティブオーバラップ期間で自己着火の確率が低い運転状況では、より確実な火花点火による運転を実行して、失火を防止することができる。

好ましい態様において、前記燃焼制御部は、予備着火モードでの前記排気弁の閉タイミングを通常モードでの前記排気弁の閉タイミングよりも進角するものである。この態様では、予備着火モード時の有効圧縮比を高めることができるとともに、筒内温度を高く維持することができるので、ネガティブオーバラップ期間での予備的な圧縮自己着火を確実なものにすることができる。

好ましい態様において、前記エンジンは、燃料を直接燃焼室内に噴射する直噴式エンジンであり、前記燃焼制御部は、前記予備着火モードにおいて、前記排気弁が閉じた後排気上死点前に予備的な圧縮自己着火のための燃料を噴射させるものである。この態様では、排気弁が閉じて燃焼室が封緘された状態で燃料が噴射されるので、未燃燃料が排気系に流れ出るおそれがない。

以上説明したように、本発明は、予備着火モードに基づいて燃料噴射が制御されることにより、筒内の昇温や圧力上昇が促進されるので、極冷間時等においても排気上死点経過後に噴射された燃料の着火遅れが大幅に低減し、燃焼安定性が飛躍的に向上する結果、極冷間時等の環境下でも燃焼安定性を高く維持することのできる実用性の高いガソリンエンジンの制御装置を提供することができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る火花点火式４サイクルガソリンエンジン１０の概略構成を示す構成図であり、図２は図１に係るエンジン１０の一つの気筒とそれに対して設けられた吸気弁４０および排気弁６０等の構造を示す断面略図である。また図３はエンジン１０の動弁機構４１、６１の構造を示す概略図である。

これらの図において、図示のエンジン１０は、クランクシャフト２１を回転自在に支持するシリンダブロック２２と、シリンダブロック２２の上部に配置されたシリンダヘッド２３とを一体的に有している。

シリンダブロック２２およびシリンダヘッド２３には、複数の気筒２４が設けられている。各気筒２４には、クランクシャフト２１に連結されたピストン２５と、ピストン２５が気筒２４内に形成する燃焼室２６とが公知の構成と同様に設けられている。なお、シリンダブロック２２には、クランクシャフト２１の回転角（クランク角）を検出するクランク角度センサＳＷ１と、エンジン１０の冷却水の温度Ｔｗを検出するエンジン水温センサＳＷ２とが設けられている。

シリンダヘッド２３には、燃焼室２６毎に燃料噴射弁２８が設けられている。燃料噴射弁２８は、各燃焼室２６の側部から当該燃焼室２６に直接燃料を噴射する直噴式のものである。また、シリンダヘッド２３には、そのプラグ先端が各燃焼室２６の頂部に臨む点火プラグ２９が装備されている。点火プラグ２９には、電子制御による点火タイミングのコントロールが可能な点火回路２９ａが接続されている。

エンジン１０は、当該気筒２４内に対して新気を供給する吸気システム３０と、気筒２４の燃焼室２６で燃焼した既燃ガスを排気する排気システム５０とを有している。

吸気システム３０は、新気を気筒２４内に供給するための吸気管３１と、この吸気管３１の下流側に連通するインテークマニホールド３２を備え、このインテークマニホールド３２はサージタンクから分岐してそれぞれ対応する気筒２４に接続される分岐吸気管３３を備えている。図示の実施形態において、各気筒２４には、２つ一組の吸気ポート２４ａが形成されており（図１参照）、前記分岐吸気管３３の下流端は、各気筒２４の吸気ポート２４ａに対応して二股に形成されている。

吸気システム３０の吸気管３１には、エアフローセンサＳＷ３と、吸気温度Ｔａを検出する吸気温度センサＳＷ４とが設けられている。さらに吸気管３１には、吸気流量を調節するスロットル弁３５が設けられている。このスロットル弁３５は、アクチュエータ３６によって開閉駆動されるように構成されている。

各気筒２４に設けられた各吸気ポート２４ａには吸気弁４０が設けられ、図示の実施形態では吸気ポート２４ａに対応して気筒２４毎に２つずつの吸気弁４０が設けられている。

次に、排気システム５０は、各気筒２４に２つ一組で形成された排気ポート２４ｂに接続された二股状の分岐排気管５１を下流排出側で集合させたエキゾーストマニホールド５２と、このエキゾーストマニホールド５２の下流側集合部に接続されて、エキゾーストマニホールド５２から既燃ガスを排出する排気管５３とを有している。排気管５３には、三元触媒等を含む浄化装置５４が設けられている。この浄化装置５４の上流近傍には、排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサＳＷ５が配置されている。

上記各排気ポート２４ｂには排気弁６０が設けられている。

図３を参照して、各吸気弁４０並びに各排気弁６０は、動弁機構４１、６１によって駆動される構成になっている。各動弁機構４１、６１は、対応する吸気弁４０、排気弁６０のステム４０ａ、６０ａにそれぞれ固定されたＶＶＬ４２、６２と、各吸気弁４０並びに各排気弁６０の開閉タイミングを変更するＶＶＴ（Valuable Valve Timing Mechanism）４３、６３と、ＶＶＴ４３、６３を介しクランクシャフト２１の駆動力で駆動されるカムシャフト４４、６４と、カムシャフト４４、６４に一体化されて、所定の位相で吸気弁４０、排気弁６０を異なる位相で駆動する二組の吸気カム４５ａ、４５ｂ並びに排気カム６５ａ、６５ｂとを有している。

ＶＶＬ４２、６２は、所定のタイミングで第２排気カム６５ｂが排気弁６０のステム６０ａを押し下げる機能をＯＮ／ＯＦＦするいわゆるロストモーションを実現するためのものであり、図示の例では、タペット型のもので具体化されている。なお、ＶＶＬ４２、６２の機構そのものは公知であるので、ここでは説明を省略する。

各吸気カム４５ａ、４５ｂ並びに各排気カム６５ａ、６５ｂは、一方（図示の例では吸気カム４５ａ、排気カム６５ａ）が、いわゆる圧縮自己着火運転時において、１８０°未満の開弁角度ＣＡで、それぞれ吸気弁４０および排気弁６０を開閉するとともに、他方（図示の例では、吸気カム４５ｂ、排気カム６５ｂ）が、いわゆる火花点火運転時において、１８０°以上の開弁角度（図示の例では、吸気弁４０の開弁角度ＣＡが２００°〜２３０°、排気弁６０の開弁角度ＣＡが１８０°〜２００°）で、それぞれ吸気弁４０および排気弁６０を開閉するように構成されているものである。

吸気弁４０の各ＶＶＬ４２と排気弁６０の各ＶＶＬ６２には、それぞれ作動油回路４６、６６が接続されており、各作動油回路４６、６６は、電磁弁４７、６７によって制御されるようになっている。そして、後述するエンジン制御ユニット（本実施形態ではＰＣＭ：Powertrain Control Module）１００の制御によって、作動油回路４６、６６から作動油の供給が停止されると、吸気カム４５ｂ並びに各排気カム６５ｂがＶＶＬ４２、６２によってロストモーションを起こし、これらのカム４５ｂ、６５ｂからの駆動力が対応する吸気弁４０並びに排気弁６０のステム４０ａ、６０ａに伝達されなくなる結果、各吸気弁４０並びに排気弁６０は、専ら吸気カム４５ａ並びに各排気カム６５ａによって駆動されることとなり、吸気弁４０、排気弁６０は、１８０°未満の開弁角度ＣＡで開閉動作を行うようになっている。他方、作動油回路４６、６６から作動油が供給されると、各吸気カム４５ｂ並びに各排気カム６５ｂがＶＶＬ４２、６２のロストモーションが停止され、これら吸気カム４５ｂ並びに各排気カム６５ｂの駆動力が対応する吸気弁４０並びに排気弁６０のステム４０ａ、６０ａに伝達される結果、各吸気弁４０並びに排気弁６０は、上述のように１８０°以上の開弁角度ＣＡで開閉されるようになっている。

作動油回路４６、６６に設けられた電磁弁４７、６７は、エンジン制御ユニット１００によって制御されるようになっている。

ＶＶＴ４３、６３は、例えばベーンポンプ等を用いて各吸気カム４５ａ、４５ｂ並びに各排気カム６５ａ、６５ｂが対応する吸気弁４０並びに排気弁６０が駆動するタイミングを無段階的に変更するものであるが、その構成については、本件出願人が先に提案している特許文献３、特許文献４等に開示されているので、詳細な説明については、これを省略する。

次に、エンジン制御ユニット１００について説明する。

図１に示すように、エンジン制御ユニット１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、インターフェース１０３並びにこれらのユニット１０１〜１０３を接続するバス１０４を有している。そして、インターフェース１０３を介し、図２に示すように、入力要素として、クランク角度センサＳＷ１、エンジン水温センサＳＷ２、エアフローセンサＳＷ３、吸気温度センサＳＷ４、酸素濃度センサＳＷ５、アクセル開度センサＳＷ６、車速センサＳＷ７等の各種検出手段が接続されている。他方、制御要素として、燃料噴射弁２８、点火プラグ２９による点火をコントロールする点火回路２９ａ、スロットル弁３５のアクチュエータ３６（図１参照）、動弁機構４１、６１のＶＶＴ４３、６３に設けられた電磁弁（図示せず）、各ＶＶＬ４２、６２を駆動する作動油回路４６、６６の電磁弁４７、６７等が接続されている。

図２を参照して、エンジン制御ユニット１００のメモリ１０２には、制御マップやデータ並びにプログラムが記憶されており、ＣＰＵ１０１がこれら制御マップやデータ並びにプログラムを実行することによって、図２に示すように、エンジン回転速度Ｎｅやエンジン負荷等の運転状態を判定する運転状態判定部１１０と、運転状態判定部１１０に判定された運転状態に応じて、エンジン１０の筒内での燃焼を制御する燃焼制御部１２０とを論理的に構成している。

運転状態判定部１１０は、各入力要素からのセンサ信号に基づき、エンジン回転速度Ｎｅ、要求負荷Ｒｔ、吸気温度Ｔａ、筒内温度Ｔｃ等、種々の運転状態を判定するモジュールである。なお本実施形態において、運転状態判定部１１０には、車両の運転状態も判定できるように、アクセル開度センサＳＷ６や車速センサＳＷ７等の検出信号が入力されるようになっている。また、運転状態判定部１１０は、各入力要素からの検出信号に基づき、エンジン１０の運転状態（エンジン回転速度及びエンジン負荷）が何れの運転領域にあるかを判別するようになっている。

図４は本実施形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域の設定例を示す特性図である。

図４を参照して、同図に示す運転特性では、エンジン回転速度Ｎｅが所定回転速度（図示の例では３５００ｒｐｍ）以下の運転領域において、圧縮自己着火運転を実行する部分負荷運転領域ＨＣＣＩが設定されているとともに、残余の領域では、火花点火による強制着火運転を実行する火花点火運転領域ＳＩが設定されている。なお、図示の例において、部分負荷運転領域のうち、比較的低回転速度（図示の例では１５００ｒｐｍ）では、燃焼安定性を確保するために負荷に応じて火花点火運転が実行されるように設定されている。

図２に戻って、燃焼制御部１２０は、動弁機構４１、６１を制御するためのＶＶＬ制御部１２１およびＶＶＴ制御部１２２と、燃料噴射弁２８による燃料噴射量や燃料噴射タイミングを制御する燃料噴射制御部１２３と、点火プラグ２９による点火タイミングを制御する点火制御部１２４とを有し、吸気弁４０や排気弁６０の開閉制御、燃料噴射弁２８による燃料噴射、点火プラグ２９による点火タイミング等を制御するモジュールである。詳しくは後述するように、燃焼制御部１２０には、点火プラグ２９で混合気を点火して混合気を燃焼する火花点火運転モードと、ネガティブオーバラップ期間を排気上死点の前後に設けて、燃料を圧縮自己着火させるＨＣＣＩモードとが設定されている。さらに、ＨＣＣＩモードとして、噴射した燃料を圧縮上死点経過直後でのみ燃焼させる通常モードと、ネガティブオーバラップ期間中に排気上死点経過直後で予備的に圧縮自己着火させる予備着火モードとが設定されている。

ここで燃焼制御部１２０は、部分負荷運転領域ＨＣＣＩにある場合に、所定の暖機条件が成立しているか否かを判定するものでもある。この暖機条件は、吸気温度センサＳＷ４が検出した吸気温度Ｔａが所定温度Ｔｓｔ１以下である場合、または、エンジン水温センサＳＷ２の検出に基づいて演算された筒内温度Ｔｃが所定温度Ｔｓｔ２以下である場合に、成立したと判定されるものである。後述するように、部分負荷運転領域ＨＣＣＩであっても、極冷間時や吸気温度Ｔａが極端に低い場合には、圧縮自己着火運転による圧縮自己着火が困難である場合が多いので、その場合には、原則として、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EX、ＣＡ_INでも圧縮自己着火を実行し、着火遅れを低減するようにしているのである。

他方、暖機条件が成立する運転状態では、エンジン１０がイグニションスイッチをＯＮにした直後では圧縮自己着火運転による圧縮自己着火が困難である場合が多い。そこで、本実施形態では、メモリ１０２にイグニションスイッチをＯＮにした後、火花点火運転を実行した運転回数Ｎｓを記憶する機能を設け、火花点火運転が所定サイクル数（例えば、３サイクル）Ｎｓｔに満たない場合には、暖機条件の成立に拘わらず、火花点火運転を実行するように設定されている。

ＶＶＬ制御部１２１およびＶＶＴ制御部１２２は、それぞれ各ＶＶＬ４２、６２、ＶＶＴ４３、６３の駆動制御を司るものである。

ＶＶＬ制御部１２１は、運転状態判定部１１０が判定した運転状態が部分負荷運転領域ＨＣＣＩであるときには、作動油回路４６、６６への作動油の供給を停止し、吸気カム４５ｂ並びに各排気カム６５ｂをロストモーションさせることによって、各吸気弁４０、排気弁６０の開弁角度ＣＡが１８０°未満となるように開弁制御し、それ以外の火花点火運転領域ＳＩでは、作動油回路４６、６６に作動油を供給して吸気カム４５ｂ並びに各排気カム６５ｂの駆動力を対応する吸気弁４０および排気弁６０に伝達させ、各吸気弁４０並びに排気弁６０を１８０°以上の開弁角度ＣＡで開閉制御するように構成されている。

ＶＶＴ制御部１２２は、吸気弁４０並びに排気弁６０の開閉タイミングを決定するものである。ＶＶＴ制御部１２２は、運転状態判定部１１０の判定に応じて、部分負荷運転領域ＨＣＣＩであるときには、ネガティブオーバラップ期間を生成するように排気弁６０の閉タイミングを進角し、吸気弁４０の開タイミングを遅角するとともに、火花点火運転領域ＳＩであるときには、１８０°以上の開弁角度で、それぞれ吸気弁４０および排気弁６０を開閉するように構成されている。

燃料噴射制御部１２３は、燃料噴射タイミング、燃料噴射量、吸気流量（空燃比）を制御するものである。この燃料噴射制御部１２３は、火花点火運転時においては、周知の構成と同様に、吸気行程後半から圧縮行程前半にかけて燃料を噴射するとともに、圧縮自己着火運転時においては、後述するタイミングで燃料を噴射させるものである。

点火制御部１２４は、火花点火モードにおいては、混合気を圧縮上死点経過直後で燃焼させるように、点火プラグ２９の点火回路２９ａに制御信号を出力するとともに、ＨＣＣＩモードにおいては、点火プラグ２９を休止するように点火回路２９ａに制御信号を出力するものである。

次に、燃焼制御部１２０における各部の設定例について説明する。

図５は、燃焼制御部１２０に設定されている制御例を示すタイミングチャートであり、（Ａ）は通常モード、（Ｂ）は予備着火モードの例を示している。

図５（Ａ）を参照して、エンジン１０が部分負荷運転領域ＨＣＣＩで運転されている場合、ＶＶＴ制御部１２２は、原則として、通常モードで吸気弁４０と排気弁６０の開閉タイミングを制御する。この通常モードでは、ＶＶＴ制御部１２２は、排気弁６０の閉タイミングを例えば排気上死点前７０°（２９０°ＣＡ）に進角し、吸気弁４０の開タイミングを例えば排気上死点後７０°（７０°ＣＡ）に遅角する。これにより、排気上死点の前後にそれぞれＣＡ_EX（７０°ＣＡ）、ＣＡ_IN（７０°ＣＡ）のネガティブオーバラップ期間が形成され、既燃ガスが内部ＥＧＲとして燃焼室２６に封緘される。

エンジン１０が通常モードで運転される場合、燃料噴射制御部１２３は、通常は、排気上死点経過後の所定タイミング（例えば吸気行程中期。図示の例では、吸気弁４０の開弁直前）で燃料Ｆ１を噴射し、圧縮上死点経過直後に圧縮自己着火するように燃料噴射量や吸気量を制御する。また、筒内にアルデヒド等の改質種を生成するために、必要に応じてネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EX内に一部の燃料Ｆ２を噴射するように設定されている。

図５（Ｂ）を参照して、暖機条件が成立すると、ＶＶＴ制御部１２２は、原則として、予備着火モードで吸気弁４０と排気弁６０の開閉タイミングを制御する。この予備着火モードでは、ＶＶＴ制御部１２２は、排気弁６０の閉タイミングを例えば排気上死点前９０°（２７０°ＣＡ）に進角し、吸気弁４０の開タイミングを例えば排気上死点後１２０°（１２０°ＣＡ）に遅角する。これにより、排気上死点の前後にそれぞれＣＡ_EX（９０°ＣＡ）、ＣＡ_IN（１２０°ＣＡ）のネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EX、ＣＡ_INが形成される。ここで、通常モードと予備着火モードとでネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EX、ＣＡ_INが異なるのは、次に説明する燃料噴射制御部１２３の制御により、通常モードでは、圧縮上死点の経過直後にのみ燃料を圧縮自己着火（図中の着火ＩＧ）させているのに対し、予備着火モードでは、圧縮上死点の経過直後のみならず、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INにも圧縮自己着火（図中の着火ＩＧ_PRE）を実行するためである。

燃料噴射制御部１２３は、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EX内に一部の燃料Ｆ１１を噴射して、排気上死点の経過直後に予備的な着火ＩＧ_PREを生じさせ、その後、吸気行程の後半でエンジン１０を駆動するための燃料Ｆ１２を噴射し、この燃料Ｆ１２の混合気がＩＧで示すように圧縮上死点経過直後に自己着火するように設定されている。

ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INにおける予備的な圧縮自己着火ＩＧ_PREは、クランクシャフト２１を積極的に駆動するものではなく、着火遅れτを低減し、排気上死点経過後に噴射される燃料Ｆ１２の着火安定性を高めるために実行されるものである。

一般に着火遅れτは、アレニウスの公式

に従い、筒内温度Ｔｃや筒内圧力Ｐが低い場合、その値が大きくなる。本実施形態では、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INに圧縮自己着火を実行することにより、筒内温度Ｔｃや筒内圧力Ｐを高め、極冷間時等においても排気上死点経過後に噴射された燃料の着火遅れτが大幅に低減することができる。また、筒内で混合気が予備的に燃焼されることにより、改質種が増加することによって、（１）式の定数Ａも小さくなり、着火遅れτの低減に寄与することになる。

図６は、燃焼制御部１２０の吸排気弁開閉タイミングの設定例を示すグラフであり、（Ａ）は排気弁６０の閉タイミング、（Ｂ）は吸気弁４０の開タイミングを示している。

図６（Ａ）（Ｂ）を参照して、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EX、ＣＡ_INを設定するに当たり、通常モードでの閉弁制御では、要求負荷Ｒｔが増加するに従い、排気弁６０の閉タイミングを排気上死点側に遅角し、吸気弁４０の開タイミングを進角することによって、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EX、ＣＡ_INを低減するようにしている。この通常モードでは、既燃ガスの吸気系への吹き戻りやポンピングロスの低減の観点から、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EX、ＣＡ_INが対称になるように設定される。

他方、予備着火モードで運転では、所定の要求負荷Ｒｔ１までは、要求負荷Ｒｔが増加するに従い、排気弁６０の閉タイミングを排気上死点側に遅角し、吸気弁４０の開タイミングを進角することによって、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EX、ＣＡ_INを低減している一方、所定要求負荷Ｒｔ１を越えた場合には、排気弁６０の閉タイミングについては、要求負荷Ｒｔに拘わらず、一定に設定され、吸気弁４０の開タイミングについては、負荷が増加するほど、遅角するように設定されている。また排気弁６０の閉タイミングは、通常モードでの高負荷側の閉タイミングよりも進角した状態になっている。これは、有効圧縮比を確保し、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INでの圧縮自己着火ＩＧ_PREを確実なものとするためである。また、吸気弁４０の開弁タイミングを要求負荷Ｒｔの増加に伴って遅角させているのは、高負荷側になるほど、燃料噴射量が増加し、それに伴って、予備的な圧縮自己着火ＩＧ_PRE時の筒内圧力Ｐが高くなるので、既燃ガスの充分な膨張期間を確保し、吸気系への吹き戻りを防止するためである。

予備着火モードでの燃料噴射量は、要求負荷Ｒｔに応じて設定される。

図７は、要求負荷Ｒｔに対する燃料噴射量Ｑの設定例を示すグラフである。

図７を参照して、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INでの予備的な圧縮自己着火ＩＧ_PREに供される燃料Ｆ１１の噴射量Ｑ１１と圧縮上死点経過直後での圧縮自己着火ＩＧに供される燃料Ｆ１２の噴射量Ｑ１２は、何れも要求負荷Ｒｔが大きくなるほど、多くなるように設定される。但し、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INにおける予備的な圧縮自己着火ＩＧ_PREは、クランクシャフト２１を積極的に駆動するものではなく、排気上死点経過後に噴射される燃料Ｆ１２の着火安定性を高めるために実行されるものであることから、その燃料噴射量Ｑ１１は、同じ要求負荷Ｒｔにおける排気上死点経過後に噴射される燃料Ｆ１２の噴射量Ｑ１２よりも少なくなっている。

次に、本実施形態の制御例について説明する。

図８および図９は、本発明の実施の一形態に係る制御例を示すフローチャートである。

図８を参照して、この制御例では、エンジン制御ユニット１００は、初期化を実行する。この初期化には、火花点火運転の運転回数Ｎｓを０にリセットする処理が含まれる（ステップＳ２０）。この初期化の後、エンジン制御ユニット１００は、クランク角度センサＳＷ１が検出したクランク角度とエンジン回転速度、並びにアクセル開度センサＳＷ６が検出したアクセル開度を読み込み、エンジン１０の運転状態を検出する（ステップＳ２１）。次いで、エンジン制御ユニット１００は、要求負荷Ｒｔを演算し（ステップＳ２２）、演算された要求負荷Ｒｔに基づいて現在の運転領域を判定する（ステップＳ２３）。次いで、判定された現在の運転領域が火花点火運転領域であるか否かを判別する（ステップＳ２４）。

仮に火花点火運転領域ＳＩである場合、エンジン制御ユニット１００は、要求負荷／エンジン回転速度に応じた火花点火運転時のバルブタイミング、燃料噴射量、燃料噴射タイミング、点火タイミングを燃焼制御部１２０に設定された制御マップから読み取り（ステップＳ２５）、読み取った値に基づくバルブリフト量、バルブタイミング、燃料噴射量、点火タイミングとなるように、動弁機構４１、６１、燃料噴射弁２８、点火プラグ２９を制御する（ステップＳ２６）。

その後、エンジン制御ユニット１００は、運転回数Ｎｓをインクリメントし（ステップＳ２７）、エンジン１０の停止を判定する（ステップＳ２８）。エンジン１０が停止している場合には、処理を終了し、エンジンが停止していない場合には、ステップＳ２１に戻って処理を繰り返す。

他方、ステップＳ２４において、現在の運転領域が圧縮自己着火運転を実行する部分負荷運転領域ＨＣＣＩであった場合、図９に示すＨＣＣＩモードでの運転制御が実行される。

図９を参照して、ＨＣＣＩモードでエンジン１０が運転される場合、まず、吸気温度センサＳＷ４が検出した吸気温度Ｔａと、エンジン水温センサＳＷ２が検出した冷却水の温度Ｔｗとを読み取る（ステップＳ３０）。次いで、読み取った検出値に基づき、エンジン制御ユニット１００は、筒内温度Ｔｃを推定する（ステップＳ３１）。次いで、エンジン制御ユニット１００は、暖機条件の成立判定を実行する（ステップＳ３２）。この暖機条件の成立判定では、吸気温度Ｔａが所定温度Ｔｓｔ１以下であるか否かが判定され、所定温度Ｔｓｔ１を越えている場合には、筒内温度Ｔｃが所定温度Ｔｓｔ２以下であるか否かが判定される。吸気温度Ｔａが所定温度Ｔｓｔ１以下である場合、または筒内温度Ｔｃが所定温度Ｔｓｔ２以下である場合、暖機条件が成立する。この場合、原則として、図５（Ｂ）で示した予備着火モードでエンジン１０が運転されることになるのであるが、エンジン制御ユニット１００（燃焼制御部１２０）は、火花点火運転の運転回数Ｎｓを参照し、この運転回数Ｎｓが所定サイクル数Ｎｓｔ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３３）。ここで、仮に運転回数Ｎｓが所定サイクル数Ｎｓｔに満たない場合には、ステップＳ２５に移行し、火花点火運転が実行される。これにより、火花点火運転による暖機が進行し、燃焼安定性を確保することができる。通常、ステップＳ２７によってカウントされる運転回数Ｎｓは、１−２秒で所定サイクル数Ｎｓｔ以上になる。この状態では、吸気温度Ｔａや筒内温度Ｔｃが低い運転状況下であっても、エンジン１０の圧縮自己着火運転が可能になるので、ステップＳ３３において、運転回数Ｎｓが所定サイクル数Ｎｓｔ以上である場合には、予備着火モードでエンジン１０が運転されることになる。

予備着火モードでエンジン１０が運転される場合、エンジン制御ユニット１００は、要求負荷／エンジン回転速度に応じた予備着火運転時のバルブタイミング、燃料噴射量、燃料噴射タイミングを燃焼制御部１２０に設定された制御マップから読み取り（ステップＳ３４）、読み取った値に基づいて、バルブリフト量、バルブタイミング、燃料噴射量となるように、動弁機構４１、６１、燃料噴射弁２８を制御する（ステップＳ３５）。

図５（Ｂ）を参照して、ステップＳ３４、Ｓ３５の制御が実行されると、各気筒２４では、排気弁６０が例えば排気上死点前９０°のところで閉じ、最初の燃料Ｆ１１がその直後に噴射される。ここで燃料噴射された気筒２４に着目して説明すると、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EXでの燃料Ｆ１１の噴射によって、筒内では、燃料噴霧が高温の内部ＥＧＲにさらされ、ホルムアルデヒドが生成される。このホルムアルデヒドは、燃焼室２６の温度が比較的低温（９００Ｋ以下）では、ノッキングの原因となるＯＨラジカルを吸収する。このため、過早着火等を来すことなく、ピストン２５は、排気行程から吸気行程に移行することになる。この過程で燃料噴霧が熱炎反応を来たし、予備的な圧縮自己着火ＩＧ_PREが生じる。このときの熱炎反応によって、今度はＯＨラジカルが急増し、部分酸化反応が進行することによって、筒内は、自己着火しやすい活性混合気が生成されることになると考えられる。

その後、ピストン２５が吸気行程から圧縮行程に移行する過程で吸気弁４０から開くことにより、筒内に新気が導入される。上述したように、吸気行程でのネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INは、吸気行程でのネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EXに対して充分大きく設定されている（ＣＡ_IN＞ＣＡ_EX）ので、予備的な圧縮自己着火ＩＧ_PREによって圧力が上昇した筒内のガスが、この吸気行程でのネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INで充分に膨張した後、新気が筒内に導入されることになる。この結果、既燃ガスが吸気系に逆流することなく、新気が少ないポンピングロスで筒内に導入されることになる。そして、この吸気行程の後期で燃料Ｆ１２が噴射され、その後、吸気弁４０が閉じることによって、新たに噴射された燃料噴霧も、高温の内部ＥＧＲにさらされ、活性化された雰囲気の中で多段発火現象を生じ、圧縮上死点経過直後に自己着火ＩＧを生じることになる。

図９のステップＳ３５の制御の後、エンジン制御ユニット１００は、ステップＳ２８に戻って処理を繰り返す。

他方、ステップＳ３２において、暖機条件が不成立の場合、エンジン制御ユニット１００は、通常モードでエンジン１０を運転することになる。

通常モードでエンジン１０が運転される場合、エンジン制御ユニット１００は、要求負荷／エンジン回転速度に応じた予備着火運転時のバルブタイミング、燃料噴射量、燃料噴射タイミングを燃焼制御部１２０に設定された制御マップから読み取り（ステップＳ３６）、読み取った値に基づいて、バルブリフト量、バルブタイミング、燃料噴射量となるように、動弁機構４１、６１、燃料噴射弁２８を制御する（ステップＳ３５）。

このため、図５（Ａ）に示すように、各気筒では、排気弁６０が例えば排気上死点前７０°のところで閉じ、吸気行程前半で燃料Ｆ１が噴射される。また、必要に応じてネガティブオーバラップ期間ＣＡ_EX内に活性化のための燃料Ｆ２が噴射される。その後、吸気弁４０が吸気行程中期から圧縮行程前半にかけて開閉することにより、高温の内部ＥＧＲにさらされた燃料噴霧が新気と混合して、圧縮上死点経過直後で圧縮自己着火ＩＧを生じることになる。

以上説明したように、本実施形態によれば、部分負荷運転領域ＨＣＣＩにおいて、極冷間時等、所定の暖機条件が成立した場合、予備着火モードに基づいて燃料噴射が制御される。この予備着火モードでは、気筒のネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INにおいて一部の燃料Ｆ１１がＩＧ_PREで示したように排気上死点経過直後に予備的に圧縮自己着火し、その後、排気弁６０が閉じられたままの状態で残余の燃料Ｆ１２が再度噴射されて、ＩＧで示したように圧縮上死点経過直後に圧縮自己着火することになる。この予備的な圧縮自己着火ＩＧ_PREにより、筒内の昇温や圧力上昇が促進されるので、極冷間時等においても排気上死点経過後に噴射された燃料Ｆ１２の着火遅れτが大幅に低減し、燃焼安定性が飛躍的に向上する。

また本実施形態では、燃焼制御部１２０は、予備着火モードでエンジン１０が運転される場合に、排気弁６０の閉タイミングから排気上死点までの期間ＣＡ_EXよりも排気上死点から吸気弁４０の開タイミングまでの期間ＣＡ_INの方が長くなるように排気弁６０の閉タイミングを進角させ、吸気弁４０の開タイミングを遅角させるものである。このため本実施形態では、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INでの予備的な圧縮自己着火ＩＧ_PREによって筒内の温度と圧力が上昇することに伴い、筒内の充分な膨張期間を確保することにより、吸気弁４０が開いた際に既燃ガスが吸気系に逆流するのを阻止することができる。

また本実施形態では、燃焼制御部１２０は、エンジン１０の始動後火花点火による運転回数Ｎｓが所定サイクル数Ｎｓｔ未満である場合には、暖機条件の成立に拘わらず、火花点火運転を実行するものである。このため本実施形態では、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INで自己着火の確率が低い運転状況では、より確実な火花点火による運転を実行して、失火を防止することができる。

また本実施形態では、燃焼制御部１２０は、予備着火モードでの排気弁６０の閉タイミングを通常モードでの排気弁６０の閉タイミングよりも進角するものである。このため本実施形態では、予備着火モード時の有効圧縮比を高めることができるとともに、筒内温度Ｔｃを高く維持することができるので、ネガティブオーバラップ期間ＣＡ_INでの予備的な圧縮自己着火ＩＧ_PREを確実なものにすることができる。

また本実施形態では、エンジン１０は、燃料を直接燃焼室２６内に噴射する直噴式であり、燃焼制御部１２０は、予備着火モードにおいて、排気弁６０が閉じた後排気上死点前に予備的な圧縮自己着火ＩＧ_PREのための燃料Ｆ１１を噴射させるものである。このため本実施形態では、排気弁６０が閉じて燃焼室２６が封緘された状態で燃料Ｆ１１が噴射されるので、未燃燃料が排気系に流れ出るおそれがない。

上述した実施の形態は、本発明の好ましい具体例を例示したものに過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。例えば、暖機条件の成否に拘わらず、所定の部分負荷運転領域では予備着火モードで燃焼制御を実行するようにしてもよい。

その他、本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の一実施形態に係る火花点火式４サイクルガソリンエンジンの概略構成を示す構成図である。図１に係るエンジンの一つの気筒とそれに対して設けられた吸気弁および排気弁等の構造を示す断面略図である。図１に係るエンジンの動弁機構の構造を示す概略図である。本実施形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域の設定例を示す特性図である。燃焼制御部に設定されている制御例を示すタイミングチャートであり、（Ａ）は通常モード、（Ｂ）は予備着火モードの例を示している。燃焼制御部による吸排気弁の開閉タイミングの設定例を示すグラフであり、（Ａ）は排気弁の閉タイミング、（Ｂ）は吸気弁の開タイミングを示している。要求負荷に対する燃料噴射量の設定例の関係を示すグラフである。本発明の実施の一形態に係る制御例を示すフローチャートである。本発明の実施の一形態に係る制御例を示すフローチャートである。

１０４サイクル火花点火式ガソリンエンジン
２４気筒
２５ピストン
２６燃焼室
２８燃料噴射弁
２９点火プラグ
３０吸気システム
４０吸気弁
５０排気システム
６０排気弁
１００エンジン制御ユニット
１１０運転状態判定部
１２０燃焼制御部
１２１ＶＶＬ制御部
１２２ＶＶＴ制御部
１２３燃料噴射制御部
１２４点火制御部
ＳＷ１クランク角度センサ
ＳＷ２エンジン水温センサ
ＳＷ３エアフローセンサ
ＳＷ４吸気温度センサ
ＳＷ５酸素濃度センサ
ＳＷ６アクセル開度センサ
ＳＷ７車速センサ
Ｔａ吸気温度
Ｔｃ筒内温度
Ｔｓｔ１所定温度
Ｔｓｔ２所定温度
Ｔｗエンジン冷却水温度

Claims

少なくともエンジンの部分負荷運転領域で、排気弁の閉タイミングを排気上死点前に進角し、吸気弁の開タイミングを排気上死点後に遅角して、排気上死点の前後に前記排気弁と前記吸気弁とが何れも閉じるネガティブオーバラップ期間を設けるガソリンエンジンの制御装置において、
前記エンジンの要求負荷および前記エンジンの筒内温度を推定する機能を少なくとも含み、前記エンジンを含む車両の運転状態を判定する運転状態判定部と、
前記運転状態判定部の判定に基づいて筒内での燃焼を制御する燃焼制御部と
を備え、
前記燃焼制御部は、前記部分負荷運転領域において、所定の暖機条件が成立している場合には、前記ネガティブオーバラップ期間で一部の燃料を予備的に圧縮自己着火させ、その後、前記排気弁が閉じられたままの状態で残余の燃料を噴射させて圧縮上死点経過後に圧縮自己着火させる予備着火モードで筒内での燃焼を制御し、前記部分負荷運転領域において、前記暖機条件が不成立の場合には、排気上死点経過後に燃料を噴射させて圧縮上死点経過後に圧縮自己着火させる通常モードで筒内での燃焼を制御するものである
ことを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
請求項１記載のガソリンエンジンの制御装置において、
前記燃焼制御部は、前記予備着火モードで前記エンジンが運転される場合に、前記排気弁の閉タイミングから排気上死点までの期間よりも排気上死点から前記吸気弁の開タイミングまでの期間の方が長くなるように排気弁の閉タイミングを進角させ、前記吸気弁の開タイミングを遅角させるものである
ことを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
請求項１または２記載のガソリンエンジンの制御装置において、
前記運転状態判定部は、前記エンジンの当該筒内温度が所定温度以下と推定される場合に前記暖機条件が成立したものと判定するものである
ことを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
請求項１から３の何れか１項に記載のガソリンエンジンの制御装置において、
前記運転状態判定部は、前記エンジンの当該吸気温度が所定温度以下と推定される場合に前記暖機条件が成立したものと判定するものである
ことを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
請求項１から４の何れか１項に記載のガソリンエンジンの制御装置において、
前記燃焼制御部は、前記エンジンの始動後火花点火による運転回数が所定サイクル数未満である場合には、前記暖機条件の成立に拘わらず、火花点火運転を実行するものである
ことを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
請求項１から５の何れか１項に記載のガソリンエンジンの制御装置において、
前記燃焼制御部は、予備着火モードでの前記排気弁の閉タイミングを通常モードでの前記排気弁の閉タイミングよりも進角するものである
ことを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
請求項１から６の何れか１項に記載のガソリンエンジンの制御装置において、
前記エンジンは、燃料を直接燃焼室内に噴射する直噴式エンジンであり、
前記燃焼制御部は、前記予備着火モードにおいて、前記排気弁が閉じた後排気上死点前に予備的な圧縮自己着火のための燃料を噴射させるものである
ことを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。