JP4840289B2

JP4840289B2 - ガソリンエンジンの制御装置

Info

Publication number: JP4840289B2
Application number: JP2007214969A
Authority: JP
Inventors: 洋幸山下; 祐利瀬戸; 健生山内; 達也田中
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2027-08-21
Also published as: JP2009047094A

Description

本発明は、火花点火による燃焼方式と、気筒内の混合気を圧縮して自己着火により燃焼させる燃焼方式とを切り換えて実行する場合において、その移行時における燃焼制御に関するものである。

ガソリンエンジンの燃焼方式として、気筒内の混合気を圧縮して自己着火により燃焼させる燃焼方式が提案されている。この燃焼方式では、空燃比をリーンに設定することで燃費改善や燃焼温度の低温化による窒素酸化物（以下、ＮＯｘともいう。）の低減が図れるという利点がある。そこで、エンジンが相対的に高回転、高負荷の場合は火花点火燃焼とし、低回転、低負荷時には自己着火燃焼とすることで、高出力確保、燃費向上並びにＮＯｘ低減を図ったエンジンの制御方法が提案されている（特許文献１）。

ここで、自己着火燃焼では、一般に、気筒内温度を高めて自己着火を促進するために、排気上死点前後にかけて吸気弁及び排気弁を共に閉弁させる、負のオーバーラップ期間を設定し、気筒内に既燃ガスがより多く残留するようにしている（以下、内部ＥＧＲともいう。）。しかし、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングの変更にはタイムラグがある。このため、自己着火燃焼から火花点火燃焼へ切り換える際に、気筒内の既燃ガスをすぐには放出できず、ノッキングの発生等、燃焼安定性が悪いという課題がある。また、火花点火燃焼から自己着火燃焼へ切り換える場合も、内部ＥＧＲ量が十分に確保されずに、燃焼安定性が悪いという課題がある。そこで、特許文献１には、燃焼方式の切換時に成層リーン燃焼を介在させることにより、燃焼安定性を向上することが開示されている。
特開２００１−１５２９１９号公報特開２００２−４７９６９号公報

ここで、自己着火燃焼では火花点火燃焼よりも燃焼温度が低いため、自己着火燃焼中は排気ガスを浄化する触媒の昇温効果が低いという問題がある（例えば特許文献２参照）。排気ガスの浄化触媒は、一般に、活性化温度以下の低温時には浄化性能が下がる傾向にあり、更に、三元触媒は、空燃比がリーンになる程ＮＯｘの浄化性能が劣るという性質を有している（例えば特許文献２参照）。一方、成層リーン燃焼では燃焼温度の高温化により自己着火燃焼よりもＮＯｘの生成量が増加する。

したがって、特許文献１のように、自己着火燃焼から火花点火燃焼へ燃焼方式を切り換える際、成層リーン燃焼を介在させるとＮＯｘの生成量が増加するところ、排気ガスの浄化に三元触媒を用いたエンジンでは、自己着火燃焼から火花点火燃焼へ燃焼方式を切り換える場合、三元触媒が活性化温度に達しておらず、浄化機能が劣っている場合があり、しかも、空燃比がリーンになる程ＮＯｘの浄化性能が劣ることから、ＮＯｘの排出量が増加するおそれがある。

従って、本発明の目的は、燃焼方式を自己着火方式から火花点火方式へ切り換える際、ＮＯｘ排出量を抑制しつつ、燃焼安定性を確保することにある。

本発明によれば、排気通路に三元触媒を設けたガソリンエンジンの制御装置において、気筒内の混合気を点火して燃焼させる火花点火燃焼方式と、前記火花点火燃焼方式の場合よりもリーンな第１の空燃比で、前記気筒内の混合気を自己着火させて燃焼させる自己着火燃焼方式と、で燃焼方式を切り換えて燃焼制御を行う燃焼制御手段と、前記燃焼方式が前記火花点火燃焼方式の場合は吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを、第１のバルブタイミングに、前記燃焼方式が前記自己着火燃焼方式の場合は前記バルブタイミングを、排気上死点前後にかけて前記吸気弁及び前記排気弁が共に閉弁する第２のバルブタイミングに、それぞれ制御するバルブタイミング制御手段と、を備え、前記燃焼制御手段は、前記燃焼方式を、前記自己着火燃焼方式から前記火花点火燃焼方式へ移行する移行時において、空燃比を前記第１の空燃比よりリッチな第２の空燃比で、前記気筒内の混合気を自己着火させて燃焼させるように構成され、前記ガソリンエンジンが前記排気通路に窒素酸化物の吸蔵触媒を備え、前記吸蔵触媒の温度が活性化温度以上か否かを判定する触媒温度判定手段を更に備え、前記燃焼制御手段はさらに、前記移行時において、前記触媒温度判定手段が活性化温度以上と判定した場合は、空燃比を前記第２の空燃比よりもリーンな空燃比で、圧縮行程で燃料を噴射し、前記気筒内の混合気を点火して成層燃焼させるように構成されていることを特徴とするガソリンエンジンの制御装置が提供される。

本発明では、前記自己着火燃焼方式から前記火花点火燃焼方式へ移行する移行時において、空燃比を前記第１の空燃比よりリッチな前記第２の空燃比とすることで、前記三元触媒の温度低下により、浄化性能が劣っていた場合であっても、前記三元触媒によるＮＯｘの浄化性能が高まる、リッチな空燃比とすることでＮＯｘの排出量を抑制する。また、当該移行時においては、自己着火燃焼方式とすることで燃焼安定性も確保することができる。

また、前記自己着火燃焼方式から前記火花点火燃焼方式へ移行する移行時において、前記吸蔵触媒が活性化温度以上である場合は、前記吸蔵触媒によりＮＯｘ排出量の抑制が十分に期待できることから、成層リーン燃焼とすることで、燃費向上を図ることができる。

本発明においては、前記第２の空燃比が理論空燃比であることが望ましい。一般に三元触媒においてＮＯｘの浄化性能が高い理論空燃比に空燃比を設定することで、ＮＯｘの排出量を更に抑制することができる。

また、本発明においては、前記燃焼制御手段は、前記燃焼方式を、前記火花点火燃焼方式から前記自己着火燃焼方式へ移行する移行時において、圧縮行程で燃料を噴射し、前記気筒内の混合気を点火して成層燃焼させるようにすることもできる。

この構成によれば、前記火花点火燃焼方式から前記自己着火燃焼方式へ移行する移行時においては、前記三元触媒が活性化温度に達していない場合が少ないことから、成層リーン燃焼とすることで、燃費向上及び燃焼安定性の確保を図れる。

以上述べた通り、本発明によれば、燃焼方式を自己着火方式から火花点火方式へ切り換える際、ＮＯｘ排出量を抑制しつつ、燃焼安定性を確保することができる。

図１は本発明の一実施形態に係る制御装置Ａを適用した、エンジン１の制御システム図である。エンジン１は、４サイクルガソリンエンジンであり、シリンダブロック２、シリンダヘッド３及びクランクケース４を備える。シリンダブロック２内にはピストン２１が摺動するシリンダ（気筒）２２が形成され、ピストン２１の往復運動はクランク軸４１の回転運動に変換される。

シリンダブロック２とシリンダヘッド３との間には燃焼室３１が形成されている。シリンダブロック２内には冷却水が通過するウォータジャケットが設けられ、シリンダブロック２にはウォータジャケットを通過する冷却水の水温を検出する水温センサ２０１が設けられている。

シリンダヘッド３は燃焼室３１に連通した吸気ポート３２、排気ポート３３を備え、吸気ポート３２は吸気弁３４に、排気ポート３３は排気弁３５により開閉される。シリンダヘッド３には、吸気弁３４の開閉タイミング及びシフト量を変化させる可変動弁装置３４１と、排気弁３５の開閉タイミング（バルブタイミング）及びシフト量を変化させる可変動弁装置３５１と、が設けられている。シリンダヘッド３には、また、燃焼室３１に、先端の電極が臨む点火プラグ３６が設けられており、燃焼室３１内に供給される空気と燃料との混合気に火花点火する。

シリンダヘッド３にはまた、電子制御式の燃料噴射弁３７が配設されている。本実施形態の場合、燃料噴射弁３７はシリンダ２２内に、直接噴射（筒内噴射）することで燃料を供給するように配置されている。

クランクケース４にはクランク軸４１の回転角を検出するクランク角センサ４０１が設けられている。吸気ポート３２には吸気通路６が連通している。吸気通路６には、その上流側からエアフィルタ６１、エアフローメータ（吸気量センサ）６０１、電子制御式のスロットル弁６０２、サージタンク６３が配設されている。排気ポート３３には排気通路７が連通している。排気通路７には、その上流側から空燃比センサ（Ｏ2センサ）７０１、三元触媒７１及びＮＯｘ吸蔵触媒７２が設けられている。また、ＮＯｘ吸蔵触媒７２には、その温度を検出する温度センサ７０２が設けられている。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ１０１と、ＲＯＭ１０２と、ＲＡＭ１０３と、Ｉ／Ｆ（インターフェース）１０４とを備える。ＣＰＵ１０１はＲＯＭ１０２に記憶された制御プログラムを実行してエンジン１を制御する。ＲＯＭ１０２にはＣＰＵ１０１が実行するプログラムの他、点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射量、吸気弁３４及び排気弁３５の開閉タイミング・シフト量等がエンジン１の運転状態に応じて設定された情報を記憶する。ＲＡＭ１０３には一時的なデータが記憶される。なお、ＲＯＭ１０２及びＲＡＭ１０３としては他の記憶手段でもよい。

Ｉ／Ｆ１０４には、水温センサ２０１、クランク角センサ４０１、エアフローメータ６０１、空燃比センサ７０１、温度センサ７０２、アクセルペダル１０に対する操作量を検出するアクセルペダルセンサ１０ａ、ブレーキペダル１１に対するドライバの操作を検出するブレーキペダルセンサ１１ａ、車速を検出する車速センサ１２の検出結果が入力され、ＣＰＵ１０１がこれらを読み込むことができる。また、ＣＰＵ１０１からの制御命令はＩ／Ｆ１０４を介して、点火プラグ３６、燃料噴射弁３７、スロットル弁６０２、可変動弁装置３４１及び３５１のアクチュエータ（ソレノイド、モータ等）に出力される。

図２はＣＰＵ１０１が実行する処理の例を示すフローチャートである。Ｓ１では各センサの検出結果を取得する。Ｓ２〜Ｓ７ではＳ１の検出結果に基づいて、エンジン１の運転領域に基づく燃焼方式の切り換えに関する処理を実行する。図５（ａ）は運転領域による燃焼方式の選択方法を示す図である。同図の例では、エンジン１が温間時であることを前提として、相対的に低負荷、低エンジン回数の領域を自己着火燃焼方式の領域とし、それ以外を火花点火燃焼方式の領域としている。なお、負荷は例えばエアフローメータ６０１の検出結果に基づき、エンジン回転数はクランク角センサ４０１の検出結果に基づく。

Ｓ２では、現在の燃焼方式が自己着火燃焼方式である場合に、燃焼方式を火花点火燃焼方式に切り換えるか否かを判定する。該当する場合はＳ３へ進み、該当しない場合はＳ５へ進む。Ｓ３では、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量を自己着火燃焼方式時のものから、火花点火燃焼方式時のものに変更する制御を行う。具体的には、排気上死点前後にかけて吸気弁３４及び排気弁３５が共に閉弁する負のオーバーラップ期間が設定された自己着火燃焼時のバルブタイミングから、吸気弁３４及び排気弁３５が共に開弁する正のオーバーラップ期間が設定された火花点火燃焼時のバルブタイミングにバルブタイミングを切り換えるべく、可変動弁装置３４１及び３５１へ制御信号を出力する。また、本実施形態では、火花点火燃焼時の排気弁３５のリフト量を自己着火燃焼時のリフト量よりも相対的に大きくする。続いてＳ４では燃焼方式を自己着火燃焼方式から火花点火燃焼方式へ移行する処理を行う。詳細は後述する。その後、一単位の処理を終了する。

Ｓ５では、現在の燃焼方式が火花点火燃焼方式である場合に、燃焼方式を自己着火燃焼方式に切り換えるか否かを判定する。該当する場合はＳ６へ進み、該当しない場合はＳ８へ進む。Ｓ６では、可変動弁装置３４１及び３５１へ制御信号を出力し、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量を上述した火花点火燃焼方式時のものから、上述した自己着火燃焼方式時のものに変更する制御を行う。続いてＳ７では燃焼方式を火花点火燃焼方式から自己着火燃焼方式へ移行する処理を行う。詳細は後述する。その後、一単位の処理を終了する。

Ｓ８では現在の燃焼方式にてエンジン１を運転する。すなわち、現在の燃焼方式が火花点火燃焼方式である場合には火花点火燃焼方式で、現在の燃焼方式が自己着火燃焼方式である場合には自己着火燃焼方式で、エンジン１を運転し、燃焼方式の切り換えは行わない。

図３はＳ４の燃焼方式移行制御の処理を示すフローチャートであり、燃焼方式を自己着火燃焼方式から火花点火燃焼方式へ移行する移行時の燃焼制御処理である。Ｓ１１では、ＮＯｘ吸蔵触媒７２の温度が活性化温度以上か否かを判定する。ＮＯｘ吸蔵触媒７２の温度が活性化温度以上か否かは温度センサ７０２の検出結果に基づいて判定することができる。また、温度センサ７０２により直接温度を検出する方式以外に、例えば、火花点火燃焼方式による運転履歴や自己着火燃焼方式による運転履歴により、ＮＯｘ吸蔵触媒７２の温度を推定し、その推定値に基づいて活性化温度以上か否かを判定してもよい。ＮＯｘ吸蔵触媒７２の温度が活性化温度以上と判定した場合はＳ１７へ進み、活性化温度未満と判定した場合はＳ１２へ進む。

ここで、燃焼方式を自己着火燃焼方式から火花点火燃焼方式へ切り換える場合、自己着火燃焼では火花点火燃焼よりも燃焼温度が低いため、自己着火燃焼中は三元触媒７１及びＮＯｘ吸蔵触媒７２のの昇温効果が低く、その活性化温度よりも低くなっている場合が懸念される。また、三元触媒７１は空燃比がリーンである程、ＮＯｘの浄化性能が劣る傾向がある。

本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵触媒７２の温度が活性化温度未満と判定した場合は、Ｓ１２乃至Ｓ１５において、空燃比をリッチにして自己着火燃焼方式によりエンジン１を運転する。この結果、三元触媒７１がその活性化温度よりも低くなっている場合であっても、空燃比をリッチにすることで、ＮＯｘの浄化性能を向上させ、ＮＯｘの排出量を抑制する。一般に、三元触媒は理論空燃比においてＮＯｘの浄化性能が高い。そこで、本実施形態では、特に、空燃比を理論空燃比とすることで、三元触媒７１によるＮＯｘの浄化性能を向上させ、ＮＯｘの排出量を抑制する。また、移行時に自己着火燃焼によりエンジン１を運転することで、燃焼安定性も確保することができる。

一方、ＮＯｘ吸蔵触媒７２の温度が活性化温度以上と判定した場合はＳ１７乃至Ｓ２０において成層リーン燃焼方式によりエンジン１を運転する。ＮＯｘ吸蔵触媒７２の温度が活性化温度以上の場合は、空燃比をリーンとしてもＮＯｘ吸蔵触媒７２によりＮＯｘ排出量の抑制が十分に期待できることから、成層リーン燃焼とすることで、燃費向上を図ることができる。また、移行時に成層リーン燃焼によりエンジン１を運転することで、燃焼安定性も確保することができる。

まず、Ｓ１２乃至Ｓ１５の自己着火燃焼方式による、自己着火燃焼方式から火花点火燃焼方式へ移行する移行時の燃焼制御について説明する。Ｓ１２では空燃比を設定する。ここでは、通常の自己着火燃焼方式時よりもリッチな空燃比を設定し、本実施形態の場合、上述したとおり、理論空燃比とする。空燃比は燃料噴射弁３７からの燃料噴射量により調整できるが、燃料噴射量のみで調整すると、その増量により燃費が悪くなる。そこで、本実施形態では燃料噴射量とスロットル弁６０２の開度とにより空燃比を調整することとし、理論空燃比に合う燃料噴射量及びスロットル弁６０２の開度とを設定する。

Ｓ１３では、燃料の噴射時期を設定する。図５（ｂ）は自己着火燃焼方式時の燃料噴射時期を示す図であり、通常時、燃焼方式移行時のいずれにおいても共通である。本実施形態の場合、自己着火燃焼方式では２回に分けて燃料を噴射し、１回目は排気行程中（吸気弁３４及び排気弁３５が共に閉弁する負のオーバーラップ期間中）に噴射し、２回目は吸気行程中に噴射する。１回目の燃料噴射を行うことで、ラジカルが生成されたり、アルデヒド程度まで部分酸化反応が生じて自己着火し易い混合気となる。各回の噴射量は公知の手法によりＳ１２で設定される。

図３に戻り、Ｓ１４ではＳ１２で設定した燃料噴射量で、Ｓ１３で設定した噴射時期に燃料を噴射する。これにより、圧縮行程において燃焼室３１内の混合気が圧縮自己着火燃焼を生じてエンジン１が運転される。

Ｓ１５では、上述したＳ３で可変動弁装置３４１及び３５１へ制御信号を出力したことによる、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の移行が完了したか否かを判定する。該当する場合はＳ１６へ進み、該当しない場合はＳ１２へ戻って同様の処理を繰り返す。吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の移行はタイムラグがあり、上述したＳ３で可変動弁装置３４１及び３５１へ制御信号を出力してから一定期間の経過の後、移行が完了する。本実施形態では、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の移行期間中は、燃焼方式切り替え時の燃焼制御として、Ｓ１２乃至Ｓ１４の処理を繰り返す。

吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の移行完了は、燃焼サイクルを基準として予め移行完了に要する燃焼サイクルを実験で求めておき、Ｓ１５では、可変動弁装置３４１及び３５１へ制御信号を出力してから規定数の燃焼サイクル（例えば、数燃焼サイクル）が経過した場合に移行完了と判定することができる。また、可変動弁装置３４１及び３５１に、その状態を検出するセンサを設けておき、当該センサの検出結果に基づいて移行完了と判定するようにしてもよい。

Ｓ１６では、燃焼方式を火花点火燃焼方式に設定し、一単位の処理が終了する。その後、火花点火燃焼方式にてエンジン１が運転される。

図６は、移行時の燃焼方式を自己着火燃焼方式として、自己着火燃焼方式から火花点火燃焼方式へ燃焼方式を切り換える際の、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量、内部ＥＧＲ率、設定空燃比、燃料噴射量、及び、スロットル開度の変化を示す図である。なお、スロットル開度の変化は移行時のみ示す。

同図に示すように、燃焼方式移行前の自己着火燃焼方式では、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミングは、排気上死点前後にかけて吸気弁３４及び排気弁３５が共に閉弁した負のオーバーラップ期間Ｐが設定されている。これにより、シリンダ２２内の残留既燃ガス率（内部ＥＧＲ率）は高めになっており、例えば、５０％以上である。設定空燃比は２０前後とされて、理論空燃比（１４．７）よりもリーンな空燃比に設定されている。そのため、燃料噴射弁３７から噴射する燃料噴射量も相対的に少なめである。

上述したＳ３及びＳ４（図３のＳ１２〜Ｓ１４）の処理により、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の制御並びに燃焼方式の移行時の燃焼制御が開始されると、吸気弁３４及び排気弁３５の負のオーバーラップ期間Ｐは徐々に小さくなると共に、排気弁３５のリフト量が徐々に大きくなる（図６において破線から実線へ移行。）。これにより、シリンダ２２内の掃気性が向上し、内部ＥＧＲ率は徐々に低下すると共にシリンダ２２内の圧力も低下する。このため、火花点火燃焼方式に移行した場合、ノッキング等の発生が防止され、燃焼安定性が確保される。

設定空燃比は、燃焼方式移行前の自己着火燃焼方式時の空燃比よりもリッチな理論空燃比に設定され、これに応じて燃料噴射量が増大する。その際、スロットル弁６０２の開度を一旦絞って吸気量を減少させて徐々に開くことにより、燃料噴射量をなるべく少なくして燃費改善を図っている。設定空燃比をリッチな空燃比、特に理論空燃比とすることで、三元触媒７１が活性化温度に達していない場合であっても、ＮＯｘの浄化性能を高め、ＮＯｘの排出量を抑制することができる。また、空燃比をリッチとした自己着火燃焼とすることで、燃焼安定性も確保される。

吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の移行が完了すると（図６において破線から実線へ移行。）、燃焼方式が火花点火燃焼方式となる。内部ＥＧＲ率は小さく（５％程度）、設定空燃比は理論空燃比が基本空燃比となり、これに応じて燃料噴射量が設定される。なお、火花点火燃焼方式の場合、図５（ｃ）に示すように燃料の噴射時期は吸気行程である。

次に、図３に戻り、自己着火燃焼方式から火花点火燃焼方式へ移行する移行時の燃焼制御として、成層リーン燃焼方式を採用した場合（図３のＳ１１でＹｅｓの場合）について説明する。

Ｓ１７では空燃比を設定する。ここでは、自己着火燃焼方式による移行時の燃焼制御の空燃比（本実施形態の場合、理論空燃比。）よりもリーンな空燃比を設定し、燃焼方式移行前の自己着火燃焼方式の空燃比（２０程度）から火花点火燃焼方式の空燃比（理論空燃比）へ徐々に変化させる。また、Ｓ１７では、設定した空燃比に応じて燃料噴射弁３７からの燃料噴射量を設定する。Ｓ１８では燃料噴射時期及び点火プラグ３６による火花点火時期を設定する。図５（ｄ）は成層リーン燃焼方式時の燃料噴射時期を示す図である。成層リーン燃焼方式では、圧縮行程中に燃料を噴射する。これにより、点火プラグ３６の電極近傍に混合気塊（成層化混合気）が偏在する。

Ｓ１９ではＳ１７で設定した燃料噴射量で、Ｓ１８で設定した噴射時期に燃料を噴射する。Ｓ２０ではＳ１８で設定した点火時期に点火プラグ３６を点火する。これにより、燃焼室３１内の混合気が火花点火燃焼を生じてエンジン１が運転される。

Ｓ２０では、上述したＳ３で可変動弁装置３４１及び３５１へ制御信号を出力したことによる、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の移行が完了したか否かを判定する。上述したＳ１５と同様の処理である。該当する場合はＳ１６へ進み、該当しない場合はＳ１７へ戻って同様の処理を繰り返す。

図７は、移行時の燃焼方式を成層リーン燃焼方式として、自己着火燃焼方式から火花点火燃焼方式へ燃焼方式を切り換える際の、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量、内部ＥＧＲ率、設定空燃比、及び、燃料噴射量の変化を示す図である。燃焼方式移行前の自己着火燃焼方式及び燃焼方式移行後の火花点火燃焼方式における状態は図６の場合と同様である。

燃焼方式移行前の自己着火燃焼時において、上述したＳ３及びＳ４（図３のＳ１７〜Ｓ１９）の処理により、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の制御並びに燃焼方式の移行時の燃焼制御が開始されると、吸気弁３４及び排気弁３５の負のオーバーラップ期間Ｐは徐々に小さくなると共に、排気弁３５のリフト量が徐々に大きくなる（図７において破線から実線へ移行。）。これにより、シリンダ２２内の掃気性が向上し、内部ＥＧＲ率は徐々に低下すると共にシリンダ２２内の圧力も低下する。このため、火花点火燃焼方式に移行した場合、ノッキング等の発生が防止され、燃焼安定性が確保される。

設定空燃比は、燃焼方式移行前の自己着火燃焼方式の空燃比（２０程度）から火花点火燃焼方式の空燃比（理論空燃比）へ徐々に変更される。最終的に、燃焼方式移行後の火花点火燃焼方式時の空燃比である理論空燃比に設定される。空燃比の設定に応じて、燃料噴射量が徐々に増大する。内部ＥＧＲ率が高い移行初期では、燃料噴射量が少なく、既燃ガスの掃気が進むにつれて燃料噴射量が上がるので、ノッキング等の発生を防止し、燃焼安定性を確保できる。また、ＮＯｘは、活性化温度以上にあるＮＯｘ吸蔵触媒７２により除去されるので、ＮＯｘの排出量も削減される。吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の移行が完了すると（図７において破線から実線へ移行。）、燃焼方式が火花点火燃焼方式となる。

次に、図２のＳ７の燃焼方式移行制御について説明する。図４はＳ７の燃焼方式移行制御の処理を示すフローチャートである。本実施形態の場合、火花点火燃焼方式から自己着火燃焼方式へ切り換える場合は、火花点火燃焼方式によるエンジン１の運転により、三元触媒７１やＮＯｘ吸蔵触媒７２が活性化温度に達していない場合が少ないと考えられ、これらの触媒によりＮＯｘの排出量を抑制できることから、燃費を重視し、移行時の燃焼制御として、成層リーン燃焼を行う。

Ｓ３１では空燃比を設定する。ここでは、燃焼方式移行前の火花点火燃焼方式の空燃比（理論空燃比）から、自己着火燃焼方式の空燃比（２０程度）へ徐々に変化させる。また、Ｓ３１では、設定した空燃比に応じて燃料噴射弁３７からの燃料噴射量を設定する。Ｓ１８では燃料噴射時期及び点火プラグ３６による火花点火時期を設定する。燃料噴射時期については図５（ｄ）を参照して説明したとおり、圧縮行程中となり、これにより、点火プラグ３６の電極近傍に混合気塊（成層化混合気）が偏在する。

Ｓ３３ではＳ３１で設定した燃料噴射量で、Ｓ３２で設定した噴射時期に燃料を噴射する。Ｓ３４ではＳ３２で設定した点火時期に点火プラグ３６を点火する。これにより、燃焼室３１内の混合気が火花点火燃焼を生じてエンジン１が運転される。

Ｓ３５では、上述したＳ６で可変動弁装置３４１及び３５１へ制御信号を出力したことによる、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の移行が完了したか否かを判定する。上述したＳ１５やＳ２１と同様の処理である。該当する場合はＳ３６へ進み、該当しない場合はＳ３１へ戻って同様の処理を繰り返す。Ｓ３６では、燃焼方式を自己着火燃焼方式に設定し、一単位の処理が終了する。その後、自己着火燃焼方式にてエンジン１が運転される。

火花点火燃焼方式から自己着火燃焼方式へ燃焼方式を切り換える際の、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量、内部ＥＧＲ率、設定空燃比、及び、燃料噴射量の変化は、図７に示した、移行時の燃焼方式を成層リーン燃焼方式として、自己着火燃焼方式から火花点火燃焼方式へ燃焼方式を切り換える場合と逆となる。

すなわち、吸気弁３４及び排気弁３５の正のオーバーラップ期間が設けられた状態から、負のオーバーラップ期間Ｐが徐々に設けられ、排気弁３５のリフト量が徐々に小さくなる。これにより、シリンダ２２内の圧力が高まり、内部ＥＧＲ率も徐々に増加する。この結果、自己着火燃焼方式に移行した場合、燃焼安定性が確保される。設定空燃比は、燃焼方式移行前の火花点火燃焼方式時の理論空燃比から、移行後の自己着火燃焼方式のリーンな空燃比に徐々に変更され、これに応じて燃料噴射量も減少することになる。これによって、燃費の向上も図れる。

本発明の一実施形態に係る制御装置Ａを適用した、エンジン１の制御システム図である。ＣＰＵ１０１が実行する処理の例を示すフローチャートである。Ｓ４の燃焼方式移行制御の処理を示すフローチャートである。Ｓ７の燃焼方式移行制御の処理を示すフローチャートである。（ａ）は運転領域による燃焼方式の選択方法を示す図、（ｂ）は自己着火燃焼方式時の燃料噴射時期を示す図、（ｃ）は火花点火燃焼方式時の燃料噴射時期を示す図、（ｄ）は成層リーン燃焼方式時の燃料噴射時期を示す図である。移行時の燃焼方式を自己着火燃焼方式として、自己着火燃焼方式から火花点火燃焼方式へ燃焼方式を切り換える際の、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の内部ＥＧＲ率、設定空燃比、燃料噴射量、及び、スロットル開度の変化を示す図である。移行時の燃焼方式を成層リーン燃焼方式として、自己着火燃焼方式から火花点火燃焼方式へ燃焼方式を切り換える際の、吸気弁３４及び排気弁３５のバルブタイミング及びリフト量の内部ＥＧＲ率、設定空燃比、及び、燃料噴射量の変化を示す図である。

Ａ制御装置
３４吸気弁
３５排気弁
７１三元触媒
７２ＮＯｘ吸蔵触媒
８１ＥＧＲ弁
１００ＥＣＵ
３４１、３５１可変動弁機構

Claims

排気通路に三元触媒を設けたガソリンエンジンの制御装置において、
気筒内の混合気を点火して燃焼させる火花点火燃焼方式と、前記火花点火燃焼方式の場合よりもリーンな第１の空燃比で、前記気筒内の混合気を自己着火させて燃焼させる自己着火燃焼方式と、で燃焼方式を切り換えて燃焼制御を行う燃焼制御手段と、
前記燃焼方式が前記火花点火燃焼方式の場合は吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを、第１のバルブタイミングに、前記燃焼方式が前記自己着火燃焼方式の場合は前記バルブタイミングを、排気上死点前後にかけて前記吸気弁及び前記排気弁が共に閉弁する第２のバルブタイミングに、それぞれ制御するバルブタイミング制御手段と、を備え、
前記燃焼制御手段は、
前記燃焼方式を、前記自己着火燃焼方式から前記火花点火燃焼方式へ移行する移行時において、空燃比を前記第１の空燃比よりリッチな第２の空燃比で、前記気筒内の混合気を自己着火させて燃焼させるように構成され、
前記ガソリンエンジンが前記排気通路に窒素酸化物の吸蔵触媒を備え、
前記吸蔵触媒の温度が活性化温度以上か否かを判定する触媒温度判定手段を更に備え、
前記燃焼制御手段はさらに、
前記移行時において、前記触媒温度判定手段が活性化温度以上と判定した場合は、空燃比を前記第２の空燃比よりもリーンな空燃比で、圧縮行程で燃料を噴射し、前記気筒内の混合気を点火して成層燃焼させるように構成されていることを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
前記第２の空燃比が理論空燃比であることを特徴とする請求項１に記載のガソリンエンジンの制御装置。
前記燃焼制御手段は、
前記燃焼方式を、前記火花点火燃焼方式から前記自己着火燃焼方式へ移行する移行時において、圧縮行程で燃料を噴射し、前記気筒内の混合気を点火して成層燃焼させることを特徴とする請求項１又は２に記載のガソリンエンジンの制御装置。