JP5327123B2 - 火花点火式エンジンの制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火による正常の燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火するプリイグニッションを検出するための検出手段と、筒内に直接燃料を噴射するインジェクタとを備えた火花点火式エンジンを制御する方法および装置に関する。

従来、下記特許文献１に示されるように、筒内（燃焼室）に燃料を直接噴射するインジェクタと、筒内の混合気に点火する点火プラグとを備えた筒内直接噴射式エンジンにおいて、火花点火による正常の燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火する異常燃焼（以下、プリイグニッションという）の発生を検出し、プリイグニッションが検出されたときには、上記インジェクタからの燃料の噴射時期を遅角化することにより、プリイグニッションの発生を抑制することが行われている。

より具体的に、下記特許文献１では、通常の燃料の噴射時期を吸気行程中に設定する一方、プリイグニッションが検出されると、圧縮行程中に燃料が噴射されるように噴射時期を遅角させ、噴射時期から点火までの期間を短縮する（つまり燃料の受熱期間を短縮する）ことにより、プリイグニッションの発生を抑制するようにしている。

特開２００２−３３９７８０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術のように、プリイグニッションの回避のために燃料の噴射時期を圧縮行程まで遅角させた場合には、燃料の気化霧化が十分でないまま点火が行われることにより、多くの未燃炭素が残ってスモークが発生し、エミッション性が悪化するという問題がある。このため、プリイグニッションの発生によるエンジンのダメージを防止しながらも、上記のような燃料噴射時期の遅角化をできる限り短い時間に留め、エミッション性を早期に回復させることが望まれる。

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、プリイグニッションが発生したときに、燃料噴射時期の遅角化を含む制御によりプリイグニッションを確実に回避しながら、その制御の後は、できるだけ早期にエミッション性を回復させることが可能な火花点火式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、火花点火による正常の燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火するプリイグニッションを検出するための検出手段と、筒内に直接燃料を噴射するインジェクタとを備えた火花点火式エンジンを制御する方法であって、上記検出手段の検出値に基づきプリイグニッションが検出されたときに、これを回避するための制御として、上記インジェクタからの燃料の噴射量を増大させて筒内の空燃比をリッチ化する制御と、上記インジェクタから噴射すべき燃料のうち、一部の燃料の噴射時期を圧縮行程の中期以降に遅角させる制御とを含む処理を実行し、上記空燃比のリッチ化と燃料噴射時期の遅角化とが両方とも実行された結果プリイグニッションが回避された場合に、圧縮行程の中期以降まで遅角された上記一部の燃料の噴射時期を進角側に戻す制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、上記リッチ化後の空燃比をリーン側に戻す制御を実行することを特徴とするものである（請求項１）。

また、本発明は、火花点火による正常の燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火するプリイグニッションを検出するための検出手段と、筒内に直接燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタを含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備えた火花点火式エンジンの制御装置であって、上記制御手段は、上記検出手段の検出値に基づきプリイグニッションが検出されたときに、これを回避するための制御として、上記インジェクタからの燃料の噴射量を増大させて筒内の空燃比をリッチ化する制御と、上記インジェクタから噴射すべき燃料のうち、一部の燃料の噴射時期を圧縮行程の中期以降に遅角させる制御とを含む処理を実行し、上記空燃比のリッチ化と燃料噴射時期の遅角化とが両方とも実行された結果プリイグニッションが回避された場合に、圧縮行程の中期以降まで遅角された上記一部の燃料の噴射時期を進角側に戻す制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、上記リッチ化後の空燃比をリーン側に戻す制御を実行することを特徴とするものである（請求項５）。

これらの発明によれば、プリイグニッションが検出されたときに、筒内の空燃比をリッチ化するとともに、一部の燃料の噴射時期を圧縮行程の中期以降まで遅角させることにより、筒内温度の低下や燃料の受熱期間の短縮を図ることができ、プリイグニッションの発生を効果的に抑制することができる。

また、この制御の結果プリイグニッションが回避された場合には、圧縮行程の中期以降まで遅角された上記一部の燃料の噴射時期を進角側に戻す制御を優先して実行することにより、スモーク発生等の原因となる燃料噴射時期の遅角化を迅速に解除することができ、エミッション性が悪化する時間を最小限に抑えることができる。そして、その後もプリイグニッションが検出されなかったときに、はじめて空燃比をリーン側に戻すことにより、プリイグニッションの発生が無いことを担保しながら、通常運転への復帰を適正に図ることができる。

本発明の制御方法において、上記エンジンに、吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構を設けた場合、上記プリイグニッションが検出されたときに、上記空燃比のリッチ化および燃料噴射時期の遅角化に加えて、上記可変機構を用いて吸気弁の閉時期を変更することにより、エンジンの有効圧縮比を低下させる制御を実行し、上記空燃比のリッチ化、燃料噴射時期の遅角化、および有効圧縮比の低下が全て実行された結果プリイグニッションが回避された場合に、圧縮行程の中期以降まで遅角された上記一部の燃料の噴射時期を進角側に戻す制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、有効圧縮比を上記低下後の値に対し増大させる制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、上記リッチ化後の空燃比をリーン側に戻す制御を実行してもよい（請求項２）。

また、本発明の制御装置において、上記エンジンが、吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構を備える場合、上記制御手段は、上記プリイグニッションが検出されたときに、上記空燃比のリッチ化および燃料噴射時期の遅角化に加えて、上記可変機構を用いて吸気弁の閉時期を変更することにより、エンジンの有効圧縮比を低下させる制御を実行し、上記空燃比のリッチ化、燃料噴射時期の遅角化、および有効圧縮比の低下が全て実行された結果プリイグニッションが回避された場合に、圧縮行程の中期以降まで遅角された上記一部の燃料の噴射時期を進角側に戻す制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、有効圧縮比を上記低下後の値に対し増大させる制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、上記リッチ化後の空燃比をリーン側に戻す制御を実行するものであってもよい（請求項６）。

これらの態様によれば、プリイグニッションの発生時に、上記空燃比のリッチ化および燃料噴射時期の遅角化に加えて、エンジンの有効圧縮比を低下させる制御を実行し、筒内温度・圧力の低下を図ることにより、プリイグニッションをより効果的に抑制することができる。

また、この制御の結果プリイグニッションが回避された場合には、燃料噴射時期を進角側に戻す制御を優先して実行し、その後もプリイグニッションが検出されなかったときに、次に優先される制御として、有効圧縮比を増大させるようにしたため、エミッション性が悪化する時間を最小限に抑えられるとともに、圧縮比の低下に起因したエンジン出力の落ち込みを早期に解消することができる。そして、それでもプリイグニッションが検出されなければ、最終的に空燃比をリーン側に戻すことにより、プリイグニッションの発生が無いことを担保しながら、通常運転への復帰を適正に図ることができる。

本発明の制御方法において、上記プリイグニッションが発生し得る運転領域として、高負荷でかつ所定回転速度未満の第１プリイグ領域と、高負荷でかつ所定回転速度以上の第２プリイグ領域とが存在する場合、このうちの第２プリイグ領域でプリイグニッションが検出されたときに、上記空燃比のリッチ化および燃料噴射時期の遅角化を実行し、この制御の結果プリイグニッションが回避されたときに、上記燃料噴射時期を進角側に戻す制御と、上記空燃比をリーン側に戻す制御とを、この順に優先して実行することが好ましい（請求項３）。

一方、第１プリイグ領域でプリイグニッションが検出された場合には、上記空燃比のリッチ化、燃料噴射時期の遅角化、および有効圧縮比の低下を実行し、この制御の結果プリイグニッションが回避されたときに、上記燃料噴射時期を進角側に戻す制御と、上記有効圧縮比を増大させる制御と、上記空燃比をリーン側に戻す制御とを、この順に優先して実行することが好ましい（請求項４）。

また、本発明の制御装置において、上記プリイグニッションが発生し得る運転領域として、高負荷でかつ所定回転速度未満の第１プリイグ領域と、高負荷でかつ所定回転速度以上の第２プリイグ領域とが存在する場合、上記制御手段は、このうちの第２プリイグ領域でプリイグニッションが検出された場合に、上記空燃比のリッチ化および燃料噴射時期の遅角化を実行し、この制御の結果プリイグニッションが回避された場合に、上記燃料噴射時期を進角側に戻す制御と、上記空燃比をリーン側に戻す制御とを、この順に優先して実行することが好ましい（請求項７）。

一方、第１プリイグ領域でプリイグニッションが検出された場合、上記制御手段は、上記空燃比のリッチ化、燃料噴射時期の遅角化、および有効圧縮比の低下を実行し、この制御の結果プリイグニッションが回避されたときに、上記燃料噴射時期を進角側に戻す制御と、上記有効圧縮比を増大させる制御と、上記空燃比をリーン側に戻す制御とを、この順に優先して実行することが好ましい（請求項８）。

これらの態様によれば、プリイグニッション発生時のエンジン回転速度が比較的高いときには、空燃比のリッチ化および燃料噴射時期の遅角化を行い、エンジン回転速度が比較的低いときには、これらの制御に加えて有効圧縮比を低下させる制御を実行することにより、プリイグニッションの性質に応じた有効な対策を適正に選択しつつより効果的にプリイグニッションの発生を抑制することができる。

また、回転速度により異なる上記２種類の制御からの復帰時に、その制御を上述したような順序で解除することにより、プリイグニッション発生時の制御の内容に沿った適切な順序で通常運転への復帰を果たすことができる。

以上説明したように、本発明の火花点火式エンジンの制御方法および制御装置によれば、プリイグニッションが発生したときに、燃料噴射時期の遅角化を含む制御によりプリイグニッションを確実に回避しながら、その制御の後は、できるだけ早期にエミッション性を回復させることができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。 上記エンジンの制御系を示すブロック図である。 プリイグニッションの検出方法を説明するための図である。 プリイグニッションがどのような運転領域で起き易いかを示す図である。 プリイグニッションが検出された場合に行われる制御動作を示すフローチャートである。 図５のフローチャートに含まれる第１プリイグ回避制御の具体的内容を示すサブルーチンである。 図５のフローチャートに含まれる第２プリイグ回避制御の具体的内容を示すサブルーチンである。 図５のフローチャートに含まれる復帰制御の具体的内容を示すサブルーチンである。 燃料の噴射時期を示す図であり、（ａ）が通常時の噴射時期を、（ｂ）がプリイグニッション発生時の噴射時期を示している。 上記第１プリイグ回避制御の動作例を時系列で示すタイムチャートである。 上記第２プリイグ回避制御の動作例を時系列で示すタイムチャートである。 図１０の制御の後に行われる復帰制御の内容を時系列で示すタイムチャートである。 図１１の制御の後に行われる復帰制御の内容を時系列で示すタイムチャートである。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、多気筒ガソリンエンジンであり、紙面に直交する方向に並ぶ複数の気筒２（図中ではそのうちの１つのみを示す）を有するシリンダブロック３と、シリンダブロック３上に設けられたシリンダヘッド４とを含むエンジン本体１を有している。また、このエンジンは、車載用エンジンであり、車両を駆動するための動力源として図外のエンジンルームに配設されている。

上記エンジン本体１の各気筒２には、ピストン５が往復摺動可能に挿入されている。ピストン５はコネクティングロッド８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が中心軸回りに回転するようになっている。

上記シリンダブロック３には、上記クランク軸７の回転速度をエンジンの回転速度として検出するエンジン回転速度センサ３０が設けられている。

上記ピストン５の上方には燃焼室６が形成され、燃焼室６に吸気ポート９および排気ポート１０が開口し、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にそれぞれ設けられている。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１３，１４によりクランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。

上記吸気弁１１用の動弁機構１３には、ＶＶＴ１５が組み込まれている。ＶＶＴ１５は、可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing Mechanism）と呼ばれるものであり、吸気弁１１の動作タイミングを可変的に設定するための可変機構である。

上記ＶＶＴ１５としては、既に様々な形式のものが実用化されて公知であるが、例えば、液圧式の可変機構を上記ＶＶＴ１５として用いることができる。なお、図示は省略するが、この液圧式の可変機構は、吸気弁１１用のカムシャフトに対し同軸に配置された被駆動軸と、カムシャフトと被駆動軸の間に周方向に並ぶように配置された複数の液室とを有しており、これら各液室間に所定の圧力差が形成されることにより、上記カムシャフトと被駆動軸との間に位相差が形成されるようになっている。そして、この位相差が所定の角度範囲内で可変的に設定されることにより、吸気弁１１の動作タイミングが連続的に変更されるようになっている。

なお、上記ＶＶＴ１５として、バルブリフト量を変更することにより吸気弁１１の閉じ時期を変更するタイプの可変機構を設けてもよい。また、このようなリフト式の可変機構と、上述した位相式の可変機構とを組み合わせて用いてもよい。

上記エンジン本体１のシリンダヘッド４には、点火プラグ１６およびインジェクタ１８が、各気筒２につき１組ずつ設けられている。

上記インジェクタ１８は、燃焼室６を吸気側の側方から臨むように設けられており、図外の燃料供給管から供給される燃料（ガソリン）を先端部から噴射する。そして、エンジンの吸気行程等において上記インジェクタ１８から燃焼室６に対し燃料が噴射され、噴射された燃料が空気と混合されることにより、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。

上記点火プラグ１６は、燃焼室６を上方から臨むように設けられており、図外の点火回路からの給電に応じて先端部から火花を放電する。そして、圧縮上死点付近に設定された所定のタイミングで上記点火プラグ１６から火花が放電され、これをきっかけに混合気の燃焼が開始されるようになっている。

上記点火プラグ１６の近傍には、燃焼室６で混合気が燃焼することにより生じる火炎を検出するイオン電流センサ３１が設けられている。このイオン電流センサ３１は、例えば１００Ｖ程度のバイアス電圧が印加される電極を有しており、この電極周りに火炎が形成されたときに生じるイオン電流を検出することで、火炎を検出するように構成されている。

上記イオン電流センサ３１を用いることで、火花点火による正常の燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火するプリイグニッションを検出することができる。すなわち、点火プラグ１６による火花点火が行われると、通常は、所定の遅れ時間の後に燃焼が開始されるが、燃焼室６の温度および圧力が過度に上昇するなどした場合には、上記正常な燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火することがある。そこで、このような混合気の自着火による異常燃焼（プリイグニッション）を検出すべく、上記イオン電流センサ３１を設けて火炎を検出し、その検出タイミング（火炎の発生タイミング）が正常な燃焼開始時期に比べて早過ぎる場合に、プリイグニッションが発生したと判断する。以上のことから、当実施形態では、イオン電流に基づき火炎を検出するイオン電流センサ３１が、本発明にかかる「プリイグニッションを検出するための検出手段」に相当する。

上記イオン電流センサ３１を用いたプリイグニッションの検出方法を図３のグラフに基づき具体的に説明する。このグラフにおいて、実線の波形Ｊ０は、火花点火ＩＧをきっかけに混合気が正常に燃焼した場合の熱発生量の分布（時間変化）を示している。この正常燃焼時の波形Ｊ０において、イオン電流センサ３１で火炎を検出できる程度まで燃焼が進行した時点（実質的な燃焼開始時期）をｔ０とすると、この時点ｔ０は、火花点火ＩＧの時点よりも所定のクランク角分だけ遅くなる。

一方、プリイグニッションが発生したときの熱発生量の分布は、１点鎖線の波形Ｊ１〜Ｊ３のようになる。波形Ｊ１は軽度のプリイグニッション、波形Ｊ２は中度のプリイグニッション、波形Ｊ３は重度のプリイグニッションを示しており、各ケースにおける実質的な燃焼開始時期は、それぞれｔ１，ｔ２，ｔ３となっている。このグラフから明らかなように、プリイグニッションが起きると、正常な燃焼開始時期ｔ０よりも早く燃焼が始まり、かつ燃焼期間が短くなる（つまり燃焼が急峻化する）。特に、重度のプリイグニッション（波形Ｊ３）まで発展すると、極端に燃焼が急峻化して、エンジンにかなり大きな騒音や振動が発生し、ピストン等の損傷にもつながる。

そこで、少なくとも上記のような重度のプリイグニッションに発展するのを防止するため、当実施形態では、正常な燃焼開始時期ｔ０よりも所定時間以上早い段階で上記イオン電流センサ３１が火炎を検出したときに、これをプリイグニッションとして検出し、必要な措置を講ずるようにする。このとき、できるだけ軽度の段階でプリイグニッションを検出するため、イオン電流センサ３１による火炎の検出タイミングが、例えばｔ１程度まで早くなればプリイグニッションであると判断するのがよい。

再び図１に戻って、エンジンの全体構成について説明する。上記エンジン本体１の吸気ポート９および排気ポート１０には、吸気通路２０および排気通路２１がそれぞれ接続されている。すなわち、燃焼用の空気（新気）が上記吸気通路２０を通じて燃焼室６に供給されるとともに、燃焼室６で生成された既燃ガス（排気ガス）が上記排気通路２１を通じて外部に排出されるようになっている。

上記吸気通路２０には、エンジン本体１に流入する吸入空気の流量を調節するスロットル弁２２と、吸入空気の流量を検出するエアフローセンサ３２とが設けられている。

上記スロットル弁２２は、電子制御式のスロットル弁からなり、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開度に応じて電気的に開閉駆動される。すなわち、上記アクセルペダルにはアクセル開度センサ３３（図２）が設けられており、このアクセル開度センサ３３により検出されたアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じて、図外の電気式のアクチュエータがスロットル弁２２を開閉駆動するように構成されている。

上記排気通路２１には、排気ガス浄化用の触媒コンバータ２３が設けられている。触媒コンバータ２３には例えば三元触媒が内蔵されており、排気通路２１を通過する排気ガス中の有害成分が上記三元触媒の作用により浄化されるようになっている。

（２）制御系
図２は、エンジンの制御系を示すブロック図である。本図に示されるＥＣＵ４０は、エンジンの各部を統括的に制御するための制御手段であり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

上記ＥＣＵ４０には、各種センサ類からの検出信号が入力される。すなわち、ＥＣＵ４０は、上記エンジン回転速度センサ３０、イオン電流センサ３１、エアフローセンサ３２、およびアクセル開度センサ３３と電気的に接続されており、これら各センサ３０〜３３による検出値として、エンジン回転速度Ｎｅ、イオン電流値Ｉｏ、吸入空気量Ｑａ、およびアクセル開度ＡＣといった情報が、上記ＥＣＵ４０に逐次入力されるようになっている。

また、上記ＥＣＵ４０は、上記ＶＶＴ１５、点火プラグ１６、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。

上記ＥＣＵ４０が有するより具体的な機能について説明すると、上記ＥＣＵ４０は、その主な機能的要素として、記憶手段４１、プリイグ判定手段４２、燃料制御手段４３、および圧縮比制御手段４４を有している。

上記記憶手段４１は、エンジンを制御する際に必要な各種データやプログラムを記憶するものである。その一例として、上記記憶手段４１には、図４に示される制御マップが記憶されている。この図４の制御マップは、横軸をエンジン回転速度Ｎｅ、縦軸を負荷Ｃｅとしたときの２次元領域を、プリイグニッションの発生し易さの点から複数の領域に分割したものである。なお、図中のＷＯＴは、エンジンの最高負荷ラインを示している。

上記図４の制御マップには、プリイグニッションが比較的起き易い領域であるプリイグ領域Ｒが設定されている。すなわち、プリイグニッションは、火花点火による正常の燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火する現象であるから、燃焼室６内の空気が高温・高圧化する高負荷寄りの運転領域にあるときに、最もプリイグニッションが発生し易い。そこで、図４では、比較的負荷の高い図中上側の領域を、上記プリイグ領域Ｒとして設定している。

上記プリイグ領域Ｒは、さらに、所定のエンジン回転速度Ｎｅｘ（例えば２５００ｒｐｍ程度）を境に、第１プリイグ領域Ｒ１と、第２プリイグ領域Ｒ２とに分けられる。これら各領域Ｒ１，Ｒ２では、プリイグニッションを引き起す主な原因が異なる。例えば、低回転側に設定された第１プリイグ領域Ｒ１でのプリイグニッションは、圧縮により高温・高圧化した燃焼室６内の空気から比較的長い期間にわたって燃料が受熱することで引き起こされる。一方、第１プリイグ領域Ｒ１よりも高回転側に設定された第２プリイグ領域Ｒ２では、燃焼室６内の空気から燃料への受熱期間は短くなるものの、単位時間あたりの熱発生量が増えるため、排気弁１２の傘部や点火プラグ１６が高温化し、これが熱源（ヒートポイント）となってプリイグニッションが引き起こされる。

上記プリイグ判定手段４２は、上記イオン電流センサ３１の検出値に基づいて、プリイグニッションが起きているか否かを判定するものである。具体的に、プリイグ判定手段４２は、エンジンの運転状態が上記プリイグ領域Ｒにあるときに、上記イオン電流センサ３１の検出値から火炎の発生タイミング（実際の燃焼開始時期）を特定し、これを正常な燃焼開始時期と比較することで、プリイグニッションが起きたか否かを判定する。なお、正常な燃焼開始時期の情報は、実験もしくは演算等により予め求められ、上記記憶手段４１に記憶されている。

上記燃料制御手段４３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量や噴射時期を制御するものである。より具体的に、上記インジェクタ制御手段４４は、エンジン回転速度センサ３０から入力されるエンジン回転速度Ｎｅやエアフローセンサ３２から入力される吸入空気量Ｑａ等の情報に基づいて、目標とする燃料の噴射量および噴射時期を演算し、その演算結果に基づいてインジェクタ１８の開弁時期および開弁期間を制御する。

特に、上記プリイグ領域Ｒ（第１・第２プリイグ領域Ｒ１，Ｒ２）においてプリイグニッションが検出された場合、上記燃料制御手段４３は、上記インジェクタ１８からの燃料の噴射量を増大させることにより、筒内の空燃比をリッチ化する制御を実行する。このような制御を実行するのは、比較的多量の燃料を噴射して筒内温度を低下させることにより、燃料の受熱量を減らして圧縮上死点付近での燃料温度を低下させ、プリイグニッションの発生を抑制するためである。さらに必要な場合、上記燃料制御手段４３は、本来は吸気行程中に噴射すべき燃料の一部を、圧縮行程の中期以降に遅らせて噴射する（つまり吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料を噴射する）制御を実行する。これにより、燃料の受熱期間が短縮され、圧縮上死点付近での筒内の燃料温度が低下するため、よりプリイグニッションが起き難い環境をつくり出すことができる。

上記圧縮比制御手段４４は、上記ＶＶＴ１５を駆動して吸気弁１１の閉時期を変更することにより、エンジンの有効圧縮比を可変的に設定するものである。すなわち、吸気弁１１の閉時期は、通常、吸気下死点の遅角側の近傍（吸気下死点を少し過ぎたタイミング）に設定されており、このようなタイミングに設定されることで、一旦吸入された空気が吸気ポート９に吹き返されることがなく、エンジンの実質的な圧縮比（有効圧縮比）が幾何学的圧縮比と略一致するようになっている。これに対し、吸気弁１１の閉時期が吸気下死点よりも大幅に遅く設定された場合には、吸気の吹き返しが起きるようになり、その分だけエンジンの有効圧縮比が低下する。上記圧縮比制御手段４４は、ＶＶＴ１５を駆動して上記吸気弁１１の閉時期のリタード量（遅角量）を増減させることにより、エンジンの有効圧縮比を可変的に設定する。

特に、上記圧縮比制御手段４４は、第１プリイグ領域Ｒ１でプリイグニッションが検出された場合に、一定の条件下で、吸気弁１１の閉時期を遅角させて有効圧縮比を低下させる制御を実行する。これにより、筒内温度・圧力の低下が図られ、プリイグニッションが抑制される。ただし、このような有効圧縮比の低下制御は、第１プリイグ領域Ｒ１でのみ実行され、第２プリイグ領域Ｒ２では実行されない。これは、第２プリイグ領域Ｒ２では、排気弁１２や点火プラグ１６等が熱源となってプリイグニッションが起きるため、仮に有効圧縮比を下げても熱源の温度にあまり影響せず、十分なプリイグニッションの抑制につながらないからである。

なお、上記説明でいうところの「吸気弁１１の閉時期」とは、リフトカーブのランプ部（リフト量が緩やかに立ち上がる緩衝区間）を除いた区間をバルブの開弁期間として定義した場合における閉時期であって、吸気弁１１のリフト量が完全にゼロになる時期を指すものではない。

（３）プリイグ回避のための制御動作
次に、以上のように構成されたＥＣＵ４０により行われる制御動作について説明する。ここでは、上記プリイグ領域Ｒでプリイグニッションが検出された場合に行われる制御動作、およびその結果プリイグニッションが回避された場合に行われる制御動作を中心に説明する。

図５〜図８は、上記制御動作を説明するためのフローチャートである。図５のフローチャートに示す処理がスタートすると、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、上記エンジン回転速度センサ３０、イオン電流センサ３１、エアフローセンサ３２、およびアクセル開度センサ３３から、それぞれ、エンジン回転速度Ｎｅ、イオン電流値Ｉｏ、吸入空気量Ｑａ、およびアクセル開度ＡＣが読み出され、ＥＣＵ４０に入力される。

次いで、上記ステップＳ１で読み込まれた情報に基づいて、現在のエンジンの運転状態が、図４に示したプリイグ領域Ｒ内にあるか否かを判定する制御が実行される（ステップＳ３）。具体的には、上記ステップＳ１で読み込まれたエンジン回転速度Ｎｅと、吸入空気量Ｑａ（またはアクセル開度ＡＣ）から演算されるエンジン負荷Ｃｅとに基づき、現在のエンジンの運転状態が図４の制御マップ上で特定され、それがプリイグ領域Ｒ内にあるか否かが判定される。

上記ステップＳ３でＮＯと判定されてプリイグ領域Ｒから外れていることが確認された場合には、プリイグニッションは起こり得ないため、後述するステップＳ６，Ｓ７，Ｓ１１の制御（プリイグ回避制御や復帰制御）が必要になることはなく、通常の運転が維持される（ステップＳ１３）。すなわち、燃料の噴射量や噴射時期、吸気弁１１の動作タイミング等が、運転状態に応じて予め定められた通常の目標値に沿って制御される。

一方、上記ステップＳ３でＹＥＳと判定されてプリイグ領域Ｒにあることが確認された場合には、上記ステップＳ１で読み込まれたイオン電流値Ｉｏに基づいて、プリイグニッションが発生しているか否かを判定する制御が実行される（ステップＳ４）。具体的には、上記イオン電流値Ｉｏから、火炎の発生タイミングが特定され、そのタイミングが、予め記憶された正常な燃焼開始時期（火花点火より少し遅れたタイミング；例えば図３の時点ｔ０）よりも所定時間以上早い場合に、プリイグニッションが発生したと判定される。

上記ステップＳ４でＹＥＳと判定されてプリイグニッションの発生が確認された場合には、上記ステップＳ１で読み込まれたエンジン回転速度Ｎｅが、予め設定された閾値Ｎｅｘよりも低いか否かを判定する制御が実行される（ステップＳ５）。ここでの閾値Ｎｅｘは、図４に示したように、第１プリイグ領域Ｒ１と第２プリイグ領域Ｒ２との境界回転速度である。

すなわち、上記ステップＳ５の判定は、エンジンの運転状態が第１および第２プリイグ領域Ｒ１，Ｒ２のいずれにあるかを判定するものであり、これにより、現在発生しているプリイグニッションの性質を推定するものである。具体的には、低回転側の第１プリイグ領域Ｒ１であれば、圧縮により高温・高圧化した燃焼室６内の空気から比較的長い期間にわたって燃料が受熱するために起きるプリイグニッションであると推定でき、高回転側の第２プリイグ領域Ｒ２であれば、高温化した排気弁１２の傘部や点火プラグ１６が熱源となって起きるプリイグニッションであると推定できる。

上記ステップＳ５でＹＥＳと判定されてエンジン回転速度Ｎｅ＜Ｎｅｘであることが確認された場合、つまり、第１プリイグ領域Ｒ１でのプリイグニッションであることが確認された場合には、これを回避するための制御として、第１プリイグ回避制御が実行される（ステップＳ６）。一方、上記ステップＳ５でＮＯと判定されてエンジン回転速度Ｎｅ≧Ｎｅｘであることが確認された場合、つまり、第２プリイグ領域Ｒ２でのプリイグニッションであることが確認された場合には、上記第１プリイグ回避制御とは異なる第２プリイグ回避制御が実行される（ステップＳ７）。

次に、上記ステップＳ６の第１プリイグ回避制御の具体的内容について、図６を参照しつつ説明する。この第１プリイグ回避制御が開始されると、まず、現在設定されている筒内の空燃比（Ａ／Ｆ）が、１１よりも小さいか否かを判定する制御が実行される（ステップＳ２０）。なお、ここでの判定閾値（Ａ／Ｆ＝１１）は、後述するステップＳ２２で空燃比をリッチ化する場合に許される限界値である。仮に、Ａ／Ｆ＝１１よりも空燃比がリッチ化（小さく）されると、スモークが発生するおそれがあり、また燃費の面でも不利になるため、リッチ化の限界値として、Ａ／Ｆ＝１１が設定されている。

上記第１プリイグ領域Ｒ１では、当初、筒内の空燃比が、理論空燃比（＝１４．７）か、又はこれよりもややリッチな値に設定され、上記限界値（＝１１）よりもリーンな空燃比に設定されている。このため、上記ステップＳ２０での最初の判定は当然にＹＥＳとなり、次のステップＳ２２に移行して、空燃比をリッチ化する制御が実行される。具体的には、インジェクタ１８からの燃料の噴射量が増大されることにより、筒内の空燃比が、現在設定されている空燃比よりも所定量リッチにされる。

上記空燃比のリッチ化は、複数回に分けて段階的に行われる。例えば、現在の空燃比がＡ／Ｆ＝１４．７（理論空燃比）であれば、これよりも小さいＡ／Ｆ＝１２．５まで空燃比がリッチ化され、それでもプリイグニッションを回避できない場合に、さらに小さい空燃比であるＡ／Ｆ＝１１（限界値）までリッチ化される。逆に、Ａ／Ｆ＝１２．５の時点でプリイグニッションが回避されれば、その時点でリッチ化は停止される。

上記ステップＳ２２で空燃比を限界値のＡ／Ｆ＝１１までリッチ化した後、なおもプリイグニッションが継続して起きる場合には、上記ステップＳ２０でＮＯと判定されるため、次のステップＳ２１で、現在設定されている吸気弁１１の閉時期（ＩＶＣ）が、後述するステップＳ２３でＩＶＣを最大限に遅角させた場合の閉時期（最遅時期）であるＴｘよりも早いか否かを判定する制御が実行される（ステップＳ２１）。なお、ここでの判定閾値である最遅時期Ｔｘは、吸気の吹き返しが起きてエンジンの有効圧縮比が幾何学的圧縮比に対しある程度低下するような時期（例えば吸気下死点の通過後１１０°ＣＡ程度）に設定されている。仮に、吸気弁１１の閉時期が最遅時期Ｔｘよりもさらに遅角されると、エンジンの有効圧縮比が極端に低下して出力が不足するため、最大限に遅角できる量として、上記最遅時期Ｔｘが設定されている。

上記第１プリイグ領域Ｒ１では、当初、吸気弁１１の閉時期が、吸気の吹き返しが起きないような時期として、例えば吸気下死点の通過後３０°ＣＡ程度に設定されている。このため、上記ステップＳ２１での最初の判定は当然にＮＯとなり、次のステップＳ２３に移行して、吸気弁１１の閉時期を遅角（リタード）させる制御が実行される。具体的には、吸気弁１１の動作タイミングが遅れる方向にＶＶＴ１５が駆動されることにより、吸気弁１１の閉時期が現在の設定値よりも所定量遅角され、エンジンの有効圧縮比が下げられる。

上記吸気弁１１の閉時期の遅角化は、例えば１０°ＣＡずつ段階的に行われる。すなわち、吸気弁の閉時期が、現在の設定値に対し１０°ＣＡだけ遅角され、それでもプリイグニッションを回避できない場合に、さらに１０°ＣＡだけ遅角される。そして、このような１０°ＣＡ刻みの遅角化が、吸気弁１１の閉時期が上記最遅時期Ｔｘに達するまで継続される。逆に、最遅時期Ｔｘに達する前にプリイグニッションが回避されれば、その時点で遅角化は停止される。

上記ステップＳ２３で吸気弁１１の閉時期が最遅時期Ｔｘまで遅角された後、なおもプリイグニッションが継続して起きる場合には、上記ステップＳ２１でＮＯと判定されるため、次のステップＳ２４で、燃料の噴射時期を分割してその一部を圧縮行程噴射する制御が実行される。すなわち、図９に示すように、本来は吸気行程中に全ての燃料が噴射されるべきところ（同図（ａ）のＦ参照）、そのうちの一部の燃料の噴射時期が圧縮行程の中期以降まで遅角されることにより、吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料が噴射される（同図（ｂ）のＦ１，Ｆ２参照）。

以上のように、上記第１プリイグ回避制御においては、空燃比のリッチ化（ステップＳ２２）と、吸気弁１１の閉時期の遅角化（ステップＳ２３）と、燃料噴射時期の遅角化（ステップＳ２４）とが、この順に優先して実行されるようになっている。

上記ステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２４のいずれかの制御が実行されると、その後は、フラグＦ（そのデフォルト値は０）に「１」が入力され（ステップＳ２５）、図５のメインフローにリターンされる。

図１０は、上記第１プリイグ回避制御において、上記ステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２４の全ての制御を実行しないとプリイグニッションが回避できなかったと仮定した場合に、空燃比（Ａ／Ｆ）、吸気弁１１の閉時期（ＩＶＣ）、および燃料噴射時期が、時間経過に応じてそれぞれどのように変化するかを示すタイムチャートである。本図からも理解できるように、第１プリイグ回避制御では、まず、空燃比を段階的にリッチ化する制御が優先的に実行され、そこで最大限に（Ａ／Ｆ＝１１まで）リッチ化された後もプリイグニッションが回避できない場合に、吸気弁１１の閉時期（ＩＶＣ）が段階的に遅角され、そこで最大限に遅角された後でもなおプリイグニッションが回避できない場合に、燃料噴射時期の遅角化（燃料の一部の圧縮行程噴射）が実行される。

次に、図５のステップＳ７に示した第２プリイグ回避制御の具体的内容について、図７を参照しつつ説明する。この第２プリイグ回避制御が開始されると、まず、現在設定されている筒内の空燃比（Ａ／Ｆ）が、１１よりも小さいか否かを判定する制御が実行され（ステップＳ３０）、ここでＹＥＳと判定されて１１よりも小さいことが確認された場合に、空燃比をリッチ化する制御が実行される（ステップＳ３１）。このステップＳ３１での空燃比のリッチ化は、上述した第１プリイグ回避制御のステップＳ２２と同様、例えばＡ／Ｆ＝１４．７→１２．５→１１といったように段階的に行われる。

上記ステップＳ３１で空燃比をＡ／Ｆ＝１１までリッチ化した後、なおもプリイグニッションが継続して起きる場合には、上記ステップＳ３０でＮＯと判定されるため、次のステップＳ３２で、燃料の噴射時期を分割してその一部を圧縮行程噴射する制御が実行される。

以上のように、上記第２プリイグ回避制御においては、空燃比のリッチ化（ステップＳ３１）と、燃料噴射時期の遅角化（ステップＳ３２）とが、この順に優先して実行されるようになっている。また、上記第１プリイグ回避制御（図６）のときと異なり、吸気弁１１の閉時期を遅角させる制御（図６のステップＳ２３に相当する制御）は実行されない。すなわち、第２プリイグ領域Ｒ２では、吸気弁１１の閉時期が、吸気の吹き返しが起きないような時期として、例えば吸気下死点の通過後４５°ＣＡ程度に設定されるが、上記第２プリイグ回避制御中であっても、その時期が遅角されることはなく、有効圧縮比は一定に維持される。

上記ステップＳ３１，Ｓ３２のいずれかの制御が実行されると、その後は、フラグＦに「１」が入力され（ステップＳ３３）、図５のメインフローにリターンされる。

図１１は、上記第２プリイグ回避制御において、上記ステップＳ３１，Ｓ３２の両方の制御を実行しないとプリイグニッションが回避できなかったと仮定した場合に、空燃比（Ａ／Ｆ）および燃料噴射時期が、時間経過に応じてそれぞれどのように変化するかを示すタイムチャートである。本図からも理解できるように、第２プリイグ回避制御では、まず、空燃比を段階的にリッチ化する制御が優先的に実行され、そこで最大限に（Ａ／Ｆ＝１１まで）リッチ化した後もプリイグニッションが回避できない場合に、燃料噴射時期の遅角化（燃料の一部の圧縮行程噴射）が実行される。

次に、上記第１または第２のプリイグ回避制御（図６、図７）が実行された結果、プリイグニッションの発生が回避された場合の制御動作について説明する。この場合には、図５のステップＳ４でＮＯと判定されるため、次のステップＳ１０でフラグＦが「１」であるか否かが判定される。上記プリイグ回避制御が実行中のとき、フラグＦはＦ＝１であるため、上記ステップＳ１０ではＹＥＳと判定され、その結果、次のステップＳ１１で、上記プリイグ回避制御を解除して通常運転に復帰するための復帰制御が実行される。

図８は、上記ステップＳ１１での復帰制御の具体的内容を示している。この復帰制御が開始されると、まず、一部の燃料の噴射時期を圧縮行程の中期以降に遅角させる制御（図６のステップＳ２４、図７のステップＳ３２）が実行中か否かが判定され（ステップＳ４０）、ここでＹＥＳと判定されて燃料噴射時期の遅角化（圧縮行程噴射）が実行中であることが確認された場合に、上記一部の燃料の噴射時期を、通常の噴射時期である吸気行程中に戻す制御が実行される（ステップＳ４３）。

上記のように燃料の噴射時期が通常時期（吸気行程中）に戻された後もプリイグニッションが発生しなかった場合、もしくは、当初から燃料噴射時期の遅角化が実行されていなかった場合には、上記ステップＳ４０での判定がＮＯとなる。すると、ステップＳ４１に移行して、吸気弁１１の閉時期が、本来の設定時期よりも遅角されているか否かを判定する制御が実行される。

上記図６のステップＳ２３で吸気弁１１の閉時期が遅角されていれば、上記ステップＳ４１ではＹＥＳと判定される。すると、ステップＳ４４に移行して、吸気弁１１の閉時期を進角（アドバンス）側に戻して有効圧縮比を増大させる制御が実行される。

上記吸気弁１１の閉時期の進角化は、上記図６のステップＳ２３のときと同様、例えば１０°ＣＡずつ段階的に行われる。すなわち、吸気弁の閉時期が、現在の設定値に対し１０°ＣＡだけ進角され、それでもプリイグニッションが発生しないことが確認された場合に、さらに１０°ＣＡだけ進角される。そして、このような１０°ＣＡ刻みの進角化が、吸気弁１１の閉時期が通常時期（吸気の吹き返しが起きないような時期）に達して有効圧縮比が幾何学的圧縮比と略一致するまで継続される。

上記のように吸気弁１１の閉時期が通常時期まで戻された後もプリイグニッションが発生しなかった場合、もしくは、当初から吸気弁１１の閉時期が遅角されていなかった場合には、上記ステップＳ４１での判定がＮＯとなる。すると、ステップＳ４２に移行して、筒内の空燃比が通常値（理論空燃比もしくはその近傍）よりもリッチ化されているか否かを判定する制御が実行される。そして、ここでＹＥＳと判定されて空燃比がリッチ化されていることが確認された場合に、空燃比をリーン側（通常値に近づく側）に戻す制御が実行される（ステップＳ４５）。

上記空燃比のリーン化は、上記図６のステップＳ２２、および図７のステップＳ３１のときと同様、複数回に分けて段階的に行われる。例えば、筒内の空燃比が、Ａ／Ｆ＝１１→１２．５→１４．７のように、段階的にリーン化されて、通常値へと戻される。

上記ステップＳ４５の制御が完了して空燃比が通常値に戻されると、上記ステップＳ４２の判定がＮＯとなる。すると、ステップＳ４６でフラグＦに「０」が入力され、図５のメインフローにリターンされる。

図１２および図１３は、以上のような復帰制御が行われた場合の空燃比や燃料噴射時期等の時間変化を示すタイムチャートである。このうち、図１２には、先の図１０に示したような第１プリイグ回避制御が行われた場合、つまり、第１プリイグ領域Ｒ１でのプリイグニッションを回避するために、空燃比のリッチ化、吸気弁１１の閉時期の遅角化、および燃料噴射時期の遅角化（燃料の一部の圧縮行程噴射）を全て行う必要があった場合に、その後の復帰制御によって各状態量がどのように変化するかを示している。

図１２に示すように、第１プリイグ回避制御からの復帰に際しては、まず燃料噴射時期の遅角化が解除されて噴射時期が通常時期（吸気行程中）に戻され、その後もプリイグニッションが発生しなかった場合に、吸気弁１１の閉時期（ＩＶＣ）を通常時期に向けて段階的に進角させる制御が実行され、それでもプリイグニッションが発生しなかった場合に、空燃比を通常値に向けて段階的にリーン化する制御が実行される。

また、図１３には、先の図１１に示したような第２プリイグ回避制御が行われた場合、つまり、第２プリイグ領域Ｒ２で起きたプリイグニッションを回避するために、空燃比のリッチ化と、燃料噴射時期の遅角化とを両方とも行う必要があった場合に、その後の復帰制御によって各状態量がどのように変化するかを示している。図１３に示すように、第２プリイグ回避制御からの復帰に際しては、まず燃料噴射時期の遅角化を解除する制御が実行され、続いて空燃比をリーン化する制御が実行されることになる。

（４）作用効果等
以上説明したように、当実施形態の火花点火式エンジンでは、イオン電流センサ３１による検出値に基づきプリイグニッションが検出された場合に、エンジン回転速度Ｎｅが所定の閾値Ｎｅｘより高いか低いかに応じて（つまり第１および第２プリイグ領域Ｒ１，Ｒ２のいずれの領域で起きたプリイグニッションであるかに応じて）、第１および第２プリイグ回避制御のいずれかが選択的に実行される。このうち、回転速度Ｎｅ＜Ｎｅｘのときに選択される第１プリイグ回避制御では、筒内の空燃比をリッチ化する制御（ステップＳ２２）と、吸気弁１１の閉時期を遅角させて有効圧縮比を低下させる制御（ステップＳ２３）と、一部の燃料の噴射時期を圧縮行程の中期以降に遅角させる制御（ステップＳ２４）とが、この順に優先して実行される。一方、回転速度Ｎｅ≧Ｎｅｘのときに選択される第２プリイグ回避制御では、空燃比のリッチ化（ステップＳ３１）と、燃料噴射時期の遅角化（ステップＳ３２）とが、この順に優先して実行されるが、上記第１プリイグ回避制御のときと異なり、吸気弁１１の閉時期を遅角させる制御は実行されず、有効圧縮比は一定に維持される。このような構成によれば、エミッション性の悪化やエンジン出力の低下をできる限り回避しつつ、プリイグニッションの発生を効果的に抑制できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、プリイグニッションが検出されたときに実行される第１および第２のプイリグ回避制御において、空燃比をリッチ化する制御がまず最初に行われ、燃料噴射時期を遅角させる（燃料の一部を圧縮行程噴射する）制御は後回しにされるため、エミッション性の悪化をできるだけ回避しながら、プリイグニッションの発生を効果的に抑制することができる。

例えば、プリイグニッションが検出されたときに、いきなり燃料噴射時期を遅角させ、燃料の一部を圧縮行程噴射したような場合には、多くの未燃炭素が残ってスモークが発生するおそれがある。これに対し、上記実施形態では、プリイグニッションの発生時にまず空燃比をリッチ化して、筒内温度の低下を図ることでプリイグニッションを抑制し、それでもプリイグニッションが回避できない場合にのみ、上記燃料噴射時期の遅角化を実行するようにしたため、上記のようなスモークの発生を極力回避できるという利点がある。

また、プリイグニッションが検出されときに、エンジン回転速度Ｎｅが閾値Ｎｅｘ未満であった場合（つまり第１プリイグ回避制御が選択される場合）には、空燃比のリッチ化より優先度が低くかつ燃料噴射時期の遅角化より優先度が高い制御として、吸気弁１１の閉時期を遅角させて有効圧縮比を低下させる制御を実行するようにしたため、燃料噴射時期の遅角化が行われる頻度をより低くして、スモーク発生によるエミッション性の悪化をより効果的に防止できるという利点がある。

すなわち、エンジン回転速度Ｎｅが比較的低い場合に、空燃比のリッチ化に次いで、エンジンの有効圧縮比を低下させる制御を実行し、それによって筒内温度・圧力の低下を図った上で、それでもプリイグニッションを回避できないときに、はじめて燃料噴射時期を遅角させるようにしたため、燃料噴射時期を遅角させなくても、より高い確率でプリイグニッションを回避することが可能になる。これにより、燃料噴射時期の遅角化が実行される頻度が極めて低くなり、スモークの発生を極力回避しながらプリイグニッションを抑制することができる。

また、上記のような有効圧縮比の低下が、プリイグニッション発生時のエンジン回転速度Ｎｅが閾値Ｎｅｘ未満であるとき（第１プリイグ回避制御時）にのみ実行され、閾値Ｎｅｘ以上のとき（第２プリイグ回避制御時）には実行されないため、プリイグニッションの性質に応じた有効な対策のみを選択しながら、適正かつ確実にプリイグニッションを抑制できるという利点がある。

すなわち、エンジン回転速度Ｎｅが比較的高いときのプリイグニッションは、排気弁１２や点火プラグ１６等が熱源となって起きるものであるため、仮に有効圧縮比を下げても熱源の温度にあまり影響せず、十分なプリイグニッションの抑制につながらない。そこで、このような性質のプリイグニッション発生時に行われる上記第２プリイグ回避制御において、空燃比をリッチ化してもプリイグニッションを回避できないときには、有効圧縮比を低下させる制御を行うことなく、直ちに燃料噴射時期を遅角させるようにする。これにより、あまり有効な対策とならない圧縮比の低下を省略し、その制御に無駄な時間が割かれるのを回避しながら、確実にプリイグニッションの抑制を図ることができる。

なお、上記構成では、エンジン回転速度Ｎｅが閾値Ｎｅｘ未満のときに行われる第１プリイグ回避制御において、まず空燃比をリッチ化し、それでもプリイグニッションが回避できないときに、吸気弁１１の閉時期を遅角させて有効圧縮比を低下させるようにしたが、これら２つの制御（空燃比のリッチ化と有効圧縮比の低下）は、そのいずれを実施してもエミッション性（スモークの発生）には影響しないため、この点だけを考慮すれば、有効圧縮比の低下を空燃比のリッチ化より優先して行ってもよいと考えられる。しかしながら、有効圧縮比を低下させる制御は、エンジンの出力低下を招くだけでなく、制御の応答性に劣るという問題がある。すなわち、特にＶＶＴ１５が液圧式の可変機構である場合、このＶＶＴ１５の駆動により吸気弁１１の動作タイミングを変更するのに、比較的長時間の応答遅れが生じるため、吸気弁１１の閉時期を遅角させて有効圧縮比を低下させる制御は、インジェクタ１８からの噴射量を増やして空燃比をリッチ化する制御に比べて、制御の応答性の面で劣るといえる。

そこで、上記実施形態では、第１プリイグ回避制御時に、空燃比のリッチ化を先に、有効圧縮比の低下を後に実行するようにした。このように、有効圧縮比の低下を後回しにすることで、圧縮比の低下に起因したエンジン出力の低下をできるだけ回避できるとともに、応答性に優れた空燃比のリッチ化を最優先で行うことにより、プリイグニッションの発生直後にその抑制をより迅速に図れるという利点がある。

また、上記実施形態では、図１０に示したように、第１プリイグ回避制御時に、まず空燃比のリッチ化を段階的に行い、最大限にリッチ化した状態でもプリイグニッションが検出された場合に、吸気弁の閉時期を遅角させて有効圧縮比を低下させるようにした。同様に、図１１に示される第２プリイグ回避制御では、まず空燃比を段階的にリッチ化し、最大限にリッチ化した状態でもプリイグニッションが検出された場合に、燃料噴射時期を遅角させて燃料の一部を圧縮行程噴射するようにした。これらの構成のように、空燃比のリッチ化を段階的に行うようにすれば、例えばプリイグニッションの程度が軽く、空燃比をわずかにリッチ化するだけでプリイグニッションを回避できるような場合に、必要以上に空燃比をリッチ化してしまうことがなく、燃費性能等の悪化を最小限に抑えることができる。また、空燃比を最大限にリッチ化してもプリイグニッションを回避できないときには、有効圧縮比の低下、もしくは燃料噴射時期の遅角化によりプリイグニッションの抑制を図ることで、空燃比が過度にリッチ化されるのを防止しながら、比較的重度なプリイグニッションであってもこれを確実に回避することができる。

さらに、上記第１プリイグ回避制御（図１０）では、上記有効圧縮比の低下（吸気弁の閉時期の遅角化）を段階的に行い、最大限に低下させた状態でもプリイグニッションが検出された場合に、上記燃料噴射時期の遅角化を実行するようにした。このような構成によれば、有効圧縮比が必要以上に低下してエンジン出力が大幅に低下するのを防止しながら、プリイグニッションをより確実に回避できるという利点がある。

また、上記実施形態では、第１または第２プリイグ回避制御から通常運転への復帰時に、燃料噴射時期の遅角化（燃料の一部の圧縮行程噴射）を解除する制御を最優先で実行し、圧縮行程の中期以降まで遅角されていた上記一部の燃料の噴射時期を吸気行程中に戻すようにしたため、プリイグニッションを回避するための制御の後に、できるだけ早期にエミッション性を回復させることができるという利点がある。

例えば、第１プリイグ回避制御の際に、空燃比のリッチ化と、有効圧縮比の低下（吸気弁の閉時期の遅角化）と、燃料噴射時期の遅角化とが全て必要であった場合には、その状態から通常運転に復帰する際に、図１２に示すように、まず燃料噴射時期の遅角化を解除して噴射時期を吸気行程中にまで戻し、その後もプリイグニッションが検出されない場合に、吸気弁の閉時期を進角側に戻して有効圧縮比を増大させ、それでもプリイグニッションが検出されない場合に、空燃比をリーン側に戻すようにした。このような構成によれば、プリイグニッションが回避されたときに、燃料噴射時期の遅角化をまず最初に解除してスモークの発生等の可能性を除去することにより、エミッション性が悪化する時間を最小限に抑えることができる。また、その後もプリイグニッションが検出されなければ、次に優先される制御として、吸気弁１１の閉時期を進角させて有効圧縮比を増大させることにより、圧縮比の低下に起因したエンジン出力の落ち込みを早期に解消することができる。そして、それでもプリイグニッションが検出されなければ、最終的に空燃比をリーン側に戻すことにより、プリイグニッションの発生が無いことを担保しながら、通常運転への復帰を適正に図ることができる。

一方、第２プリイグ回避制御時において、空燃比のリッチ化と、燃料噴射時期の遅角化とが両方とも必要であった場合には、その状態から通常運転に復帰する際に、図１３に示すように、まず燃料噴射時期の遅角化を解除して噴射時期を吸気行程中にまで戻し、それでもプリイグニッションが検出されない場合に、空燃比をリーン側に戻すようにした。この構成による場合でも、エミッション性が悪化する時間を最小限に抑えながら、通常運転への復帰を適正に図ることができる。

なお、上記実施形態では、第１プリイグ回避制御で有効圧縮比を低下させる制御（ステップＳ２３）を行う際には、吸気下死点よりも遅角側でかつ吸気の吹き返しが起きないような時期（例えば吸気下死点の通過後３０°ＣＡ程度）に設定されている通常の吸気弁１１の閉時期を、さらに遅角側に変更する（つまり吸気の吹き返しを起こさせる）ことにより、有効圧縮比を低下させるようにしたが、有効圧縮比を低下させるための方法はこれに限らず、例えば、吸気弁１１の閉時期を吸気下死点より進角側まで早めることにより、有効圧縮比を低下させるようにしてもよい。しかしながら、このようにした場合には、吸気弁１１の動作タイミングを大幅に変化させる必要が生じ、ＶＶＴ１５の制御量が増えて、制御の応答性が悪化するという問題がある。また、これを回避すべく、通常時の吸気弁１１の閉時期を、吸気下死点と略一致するタイミング等に設定することも考えられるが、このようにすると、吸気慣性を十分に利用することができず、エンジン出力の低下を招いてしまう。

このような点から、やはり上記実施形態のように、通常時（プリイグニッションが発生していないとき）の吸気弁１１の閉時期を、吸気下死点よりも遅角側に設定し、有効圧縮比を低下させる際には、吸気弁１１の閉時期を上記通常時期に対し遅角させるようにした方が、通常時のエンジン出力を十分に確保しつつ、必要時に効率よく有効圧縮比を低下させることができる点で有利である。

また、上記実施形態では、例えば図９（ａ）に示したように、プリイグニッションが発生していない通常時の燃料の噴射時期を、吸気行程中の１回のみに設定した（つまり吸気行程中の１回に全ての燃料を噴射するようにした）が、通常時の燃料の噴射時期は、吸気行程中であればよく、吸気行程中に複数回に分割して燃料を噴射してもよい。

また、上記実施形態では、プリイグニッションが検出されたときに、必要に応じて燃料噴射時期を遅角させ、本来は吸気行程中に噴射すべき燃料の一部を圧縮行程の中期以降に噴射するとともに、それによってプリイグニッションが回避された場合には、圧縮行程の中期以降まで遅角された上記一部の燃料の噴射時期を、すぐに通常時期（吸気行程中）まで戻すようにしたが、プリイグニッションが回避された後の噴射時期は、少なくとも進角側（吸気行程に近づける側）に戻せばよく、通常時期まで段階的に進角させてもよい。

また、上記実施形態では、イオン電流センサ３１を点火プラグ１６とは別に設け、このイオン電流センサ３１で火炎の発生タイミングを検出することにより、プリイグニッションが起きているか否かを判断するようにしたが、点火プラグ１６の中心電極（プラグ電極）に、イオン電流検出用のバイアス電圧を印加するようにすれば、点火プラグ１６をイオン電流センサ３１として兼用することも可能である。この場合、点火プラグ１６から火花が放電される瞬間（つまりプラグ電極に放電用の高電圧が印加される瞬間）は、プラグ電極にバイアス電圧を印加することができず、イオン電流を検出することはできないが、火花放電の瞬間に一致するタイミングでいきなり混合気が自着火することはまずないので、火花放電の前後それぞれにバイアス電圧を印加するようにすれば、ほぼ間違いなくプリイグニッションを検出できると考えられる。

また、上記実施形態では、イオン電流センサ３１による火炎の検出タイミングに基づいてプリイグニッションを検出するようにしたが、例えば、ノッキングを検出するときなどに用いられる振動センサ（ノックセンサ）をエンジン本体１に設け、この検出値に基づいてプリイグニッションを検出するようにしてもよい。

もちろん、単に振動センサによる振動レベルだけを調べても、ノッキング（火花点火後に火炎が伝播する過程でエンドガスが自着火する現象）であるのか、プリイグニッション（火花点火による正常の燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火する現象）であるのかを区別することはできないため、正確にプリイグニッションを検出することは不可能である。このため、振動センサを用いてプリイグニッションを検出するには、例えば点火時期を意図的に変化させて、それに伴う振動センサの検出値の変化を調べるようにするとよい。これにより、ノッキングとプリイグニッションとを正確に区別して検出することが可能になる。

例えば、エンジンの低回転・高負荷域では、一般に、圧縮上死点もしくはこれよりもやや遅角側で点火プラグ１６からの火花点火が行われる。点火時期がこのような時期に設定されたエンジンの低回転・高負荷域で、仮にノッキングが起きたとすると、振動センサによって大きな振動レベルが検出されるが、このとき、点火時期を上記タイミングに対し遅角させた場合には、それによってノッキングが抑制されるため、点火時期の遅角化に伴って振動レベルは低下することになる。これに対し、プリイグニッションが起きている場合には、点火時期と関係なく自着火が起きるため、点火時期を遅角させてもプリイグニッションは抑制されず、振動レベルが低下することはない。そこで、このような性質を利用して、点火時期の遅角化に伴う振動レベルの変化を調べるようにすれば、振動センサを用いてプリイグニッションを検出することができる。

１１ 吸気弁
１５ ＶＶＴ（可変機構）
１８ インジェクタ
３１ イオン電流センサ（検出手段）
Ｎｅｘ （エンジン回転速度の）閾値
Ｒ１ 第１プリイグ領域
Ｒ２ 第２プリイグ領域

Claims (8)

1. 火花点火による正常の燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火するプリイグニッションを検出するための検出手段と、筒内に直接燃料を噴射するインジェクタとを備えた火花点火式エンジンを制御する方法であって、
   上記検出手段の検出値に基づきプリイグニッションが検出されたときに、これを回避するための制御として、上記インジェクタからの燃料の噴射量を増大させて筒内の空燃比をリッチ化する制御と、上記インジェクタから噴射すべき燃料のうち、一部の燃料の噴射時期を圧縮行程の中期以降に遅角させる制御とを含む処理を実行し、
   上記空燃比のリッチ化と燃料噴射時期の遅角化とが両方とも実行された結果プリイグニッションが回避された場合に、圧縮行程の中期以降まで遅角された上記一部の燃料の噴射時期を進角側に戻す制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、上記リッチ化後の空燃比をリーン側に戻す制御を実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御方法。
2. 請求項１記載の火花点火式エンジンの制御方法において、
   上記エンジンに、吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構を設け、
   上記プリイグニッションが検出されたときに、上記空燃比のリッチ化および燃料噴射時期の遅角化に加えて、上記可変機構を用いて吸気弁の閉時期を変更することにより、エンジンの有効圧縮比を低下させる制御を実行し、
   上記空燃比のリッチ化、燃料噴射時期の遅角化、および有効圧縮比の低下が全て実行された結果プリイグニッションが回避された場合に、圧縮行程の中期以降まで遅角された上記一部の燃料の噴射時期を進角側に戻す制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、有効圧縮比を上記低下後の値に対し増大させる制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、上記リッチ化後の空燃比をリーン側に戻す制御を実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御方法。
3. 請求項１記載の火花点火式エンジンの制御方法において、
   上記プリイグニッションが発生し得る運転領域として、高負荷でかつ所定回転速度未満の第１プリイグ領域と、高負荷でかつ所定回転速度以上の第２プリイグ領域とが存在し、
   このうちの第２プリイグ領域でプリイグニッションが検出された場合に、上記空燃比のリッチ化および燃料噴射時期の遅角化を実行し、
   この制御の結果プリイグニッションが回避された場合に、上記燃料噴射時期を進角側に戻す制御と、上記空燃比をリーン側に戻す制御とを、この順に優先して実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御方法。
4. 請求項２記載の火花点火式エンジンの制御方法において、
   上記プリイグニッションが発生し得る運転領域として、高負荷でかつ所定回転速度未満の第１プリイグ領域と、高負荷でかつ所定回転速度以上の第２プリイグ領域とが存在し、
   このうちの第１プリイグ領域でプリイグニッションが検出された場合に、上記空燃比のリッチ化、燃料噴射時期の遅角化、および有効圧縮比の低下を実行し、
   この制御の結果プリイグニッションが回避された場合に、上記燃料噴射時期を進角側に戻す制御と、上記有効圧縮比を増大させる制御と、上記空燃比をリーン側に戻す制御とを、この順に優先して実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御方法。
5. 火花点火による正常の燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火するプリイグニッションを検出するための検出手段と、筒内に直接燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタを含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備えた火花点火式エンジンの制御装置であって、
   上記制御手段は、
   上記検出手段の検出値に基づきプリイグニッションが検出されたときに、これを回避するための制御として、上記インジェクタからの燃料の噴射量を増大させて筒内の空燃比をリッチ化する制御と、上記インジェクタから噴射すべき燃料のうち、一部の燃料の噴射時期を圧縮行程の中期以降に遅角させる制御とを含む処理を実行し、
   上記空燃比のリッチ化と燃料噴射時期の遅角化とが両方とも実行された結果プリイグニッションが回避された場合に、圧縮行程の中期以降まで遅角された上記一部の燃料の噴射時期を進角側に戻す制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、上記リッチ化後の空燃比をリーン側に戻す制御を実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
6. 請求項５記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構を備え、
   上記制御手段は、
   上記プリイグニッションが検出されたときに、上記空燃比のリッチ化および燃料噴射時期の遅角化に加えて、上記可変機構を用いて吸気弁の閉時期を変更することにより、エンジンの有効圧縮比を低下させる制御を実行し、
   上記空燃比のリッチ化、燃料噴射時期の遅角化、および有効圧縮比の低下が全て実行された結果プリイグニッションが回避された場合に、圧縮行程の中期以降まで遅角された上記一部の燃料の噴射時期を進角側に戻す制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、有効圧縮比を上記低下後の値に対し増大させる制御を実行し、その後もプリイグニッションが検出されなければ、上記リッチ化後の空燃比をリーン側に戻す制御を実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
7. 請求項５記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   上記プリイグニッションが発生し得る運転領域として、高負荷でかつ所定回転速度未満の第１プリイグ領域と、高負荷でかつ所定回転速度以上の第２プリイグ領域とが存在し、
   上記制御手段は、
   このうちの第２プリイグ領域でプリイグニッションが検出された場合に、上記空燃比のリッチ化および燃料噴射時期の遅角化を実行し、
   この制御の結果プリイグニッションが回避された場合に、上記燃料噴射時期を進角側に戻す制御と、上記空燃比をリーン側に戻す制御とを、この順に優先して実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
8. 請求項６記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   上記プリイグニッションが発生し得る運転領域として、高負荷でかつ所定回転速度未満の第１プリイグ領域と、高負荷でかつ所定回転速度以上の第２プリイグ領域とが存在し、
   上記制御手段は、
   このうちの第１プリイグ領域でプリイグニッションが検出された場合に、上記空燃比のリッチ化、燃料噴射時期の遅角化、および有効圧縮比の低下を実行し、
   この制御の結果プリイグニッションが回避された場合に、上記燃料噴射時期を進角側に戻す制御と、上記有効圧縮比を増大させる制御と、上記空燃比をリーン側に戻す制御とを、この順に優先して実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。

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