JP5423720B2 - 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異常燃焼検出手段と、筒内に直接燃料を噴射するインジェクタと、吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構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くする（つまり燃料の受熱期間を短くする）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。

また、プリイグニッションを抑制するための技術として、下記特許文献２に開示されたものも公知である。この特許文献２の技術では、エンジン回転速度が所定値以下で、かつ要求トルクの増大方向の変化量が所定値以上である場合に、プリイグニッションが発生し易い条件にあると判断する。そして、このような条件下で、吸気弁の閉時期を変更し、エンジンの有効圧縮比を低下させることにより、筒内温度・圧力の低下を図り、プリイグニッションの発生を抑制する。

特開２００２−３３９７８０号公報 特開２００１−１５９３４８号公報

上記特許文献１，２のいずれの技術を用いた場合でも、プリイグニッションを抑制し、それに起因した燃焼騒音や振動の発生を防止し得ると考えられる。しかしながら、特に上記特許文献２のように、吸気弁の閉時期を変更して有効圧縮比を低下させる制御については、プリイグニッションの原因の如何により、これを回避するための有効な対策とならない場合がある。

例えば、プリイグニッションの種類の中には、高温化した排気弁の傘部や点火プラグが熱源となって起きるものがある。このような熱源を原因とするプリイグニッションについては、たとえ有効圧縮比を下げて圧縮端圧力（圧縮上死点での筒内圧力）を低下させたとしても、依然として上記熱源が着火源となって混合気が早期に自着火するため、プリイグニッションを有効に回避することは難しくなる。

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す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、吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構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、かつエンジン回転速度が所定値未満であることが確認された場合の制御として、第１プリイグ回避制御を実行するステップと、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、かつエンジン回転速度が所定値以上であることが確認された場合の制御として、第２プリイグ回避制御を実行するステップとを含み、上記第１プリイグ回避制御には、上記インジェクタから噴射された燃料に基づき筒内に形成される混合気の空燃比をリッチ化する制御と、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とが含まれ、上記第２プリイグ回避制御には、上記筒内の空燃比をリッチ化する制御が含まれる一方、上記エンジンの有効圧縮比を低下させる制御は含まれない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、吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構と、上記インジェクタおよび可変機構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、かつエンジン回転速度が所定値未満であることが確認された場合の制御として、第１プリイグ回避制御を実行するとともに、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、かつエンジン回転速度が所定値以上であることが確認された場合の制御として、第２プリイグ回避制御を実行するものであり、上記第１プリイグ回避制御には、上記インジェクタから噴射された燃料に基づき筒内に形成される混合気の空燃比をリッチ化する制御と、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とが含まれ、上記第２プリイグ回避制御には、上記筒内の空燃比をリッチ化する制御が含まれる一方、上記エンジンの有効圧縮比を低下させる制御は含まれないことを特徴とするものである（請求項６）。

これらの発明によれば、エンジン回転速度が所定値未満のときにプリイグニッションが検出された場合の対策（第１プリイグ回避制御）として、空燃比をリッチ化して筒内温度の低下を図る制御と、有効圧縮比を下げて圧縮端圧力（圧縮上死点での筒内圧力）の低下を図る制御との、２種類の制御が用意されているため、プリイグニッションの程度に応じて上記２種類の制御の一方もしくは両方を選択的に実行する等により、適正かつ確実にプリイグニッションを抑制することができる。

一方、エンジン回転速度が上記所定値以上のときのプリイグニッション、つまり、燃料の受熱期間（燃料が高温・高圧環境下に晒される実時間）が短く本来は自着火しにくい条件下で起きるプリイグニッションは、高温化した排気弁や点火プラグ等が熱源となって起きるものと考えられるため、仮に有効圧縮比を下げて圧縮端圧力を低下させても、上記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の発生時に選択される第２プリイグ回避制御では、有効圧縮比を低下させる制御を行うことなく、空燃比のリッチ化のみで対応するようにした。このように、あまり有効な対策とならない圧縮比の低下制御を省略することで、その制御に無駄な時間が割かれるのを回避しながら、適正にプリイグニッションの抑制を図ることができる。

ただし、エンジン回転速度が所定値以上のときのプリイグニッション（高温化した熱源を原因とするもの）は、これがひとたび発生すると、速やかにエンジンを冷却してプリイグニッションを回避しなければ、重大なエンジントラブルにつながるおそれがある。そこで、本発明の制御方法において、上記第２プリイグ回避制御で筒内の空燃比をリッチ化する際には、上記インジェクタからの燃料の噴射量を低減させとともに、その燃料に基づく筒内の空燃比が噴射量の低減前よりもリッチになるように筒内への吸入空気量を低減させることが好ましい（請求項２）。

同様に、本発明の制御装置において、上記制御手段は、上記第２プリイグ回避制御で筒内の空燃比をリッチ化する際に、上記インジェクタからの燃料の噴射量を低減させるとともに、その燃料に基づく筒内の空燃比が噴射量の低減前よりもリッチになるように筒内への吸入空気量を低減させることが好ましい（請求項７）。

これらの態様のように、燃料の噴射量を低減させながら筒内の空燃比をリッチ化するようにした場合には、気化潜熱による筒内温度の低下が図れるだけでなく、混合気の燃焼に伴う発生熱量そのものを減少させることができるため、より高いエンジンの冷却効果が期待できる。したがって、空燃比のリッチ化のみによって、より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。

エンジンの吸気通路内に開閉可能なスロットル弁が設けられている場合、上記第２プリイグ回避制御で筒内の空燃比をリッチ化する制御は、上記スロットル弁を閉方向に駆動して吸入空気量を低減させることにより、容易に実現することができる（請求項３，８）。

本発明の制御方法において、好ましくは、上記第１プリイグ回避制御で有効圧縮比を低下させる際に、上記吸気弁の閉時期を、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から、さらに遅角側に変更する（請求項４）。

本発明の制御装置において、好ましくは、上記制御手段は、上記第１プリイグ回避制御で有効圧縮比を低下させる際に、上記吸気弁の閉時期を、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から、さらに遅角側に変更する（請求項９）。

これらの態様によれば、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。

本発明の制御方法において、好ましくは、エンジン負荷が高くかつエンジン回転速度が上記所定値未満の運転領域では、上記プリイグニッションの検出の有無にかかわらず、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らせる制御を実行する（請求項５）。

本発明の制御装置において、好ましくは、上記制御手段は、エンジン負荷が高くかつエンジン回転速度が上記所定値未満の運転領域において、上記プリイグニッションの検出の有無にかかわらず、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らせる制御を実行する（請求項１０）。

このように、プリイグニッションが最も発生しやすい運転領域において、一部の燃料の噴射時期を圧縮行程の中期以降まで遅らせる制御を恒常的に（プリイグニッションの有無にかかわらず）実行するようにした場合には、その噴射時期が遅い燃料の気化潜熱によって筒内温度が低下するため、プリイグニッションの発生を未然に防止でき、上述した空燃比のリッチ化や有効圧縮比の低下（第１プリイグ回避制御）が必要になる頻度を効果的に低減させることができる。

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することができる。

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）が第１プリイグ領域Ｒ１（図４）で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２０００ｒｐｍ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調節して筒内の空燃比をリッチ化する制御を実行する。つまり、筒内に導入される吸入空気量に対し、本来予定される噴射量よりも多くの燃料をインジェクタ１８から噴射させることにより、筒内に形成される混合気の空燃比を相対的にリッチな値に設定する。このような制御を実行するのは、燃料の気化潜熱を利用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。

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の閉時期をリタード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圧縮端圧力（圧縮上死点での筒内圧力）を低下させても、上記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Ｓ２）。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Ｓ２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，Ｓ８，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Ｓ２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Ｓ３）。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。つまり、上記ステップＳ３の判定は、現在の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る。

上記ステップＳ３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、エンジンの運転状態が第１プリイグ領域Ｒ１にあることが確認された場合には、燃料の噴射時期を分割し、噴射すべき燃料の一部を圧縮行程噴射する制御が実行される（ステップＳ４）。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に遅らされることにより、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）。

上記のような一部燃料の圧縮行程噴射（分割噴射）は、プリイグニッションが比較的起き易い第１プリイグ領域Ｒ１で、プリイグニッションの発生を未然に防止するために行われる。すなわち、低回転かつ高負荷域に設定された上記第１プリイグ領域Ｒ１は、噴射される燃料の量が多い上に、燃料の受熱期間（燃料が高温・高圧環境下に晒される実時間）が相対的に長いため、最もプリイグニッションが起き易い環境であるといえる。そこで、上記第１プリイグ領域Ｒ１において、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分割噴射を実行し、圧縮上死点付近での筒内温度を低下させることにより、プリイグニッションが発生する可能性を予め低減させるようにしている。

ただし、後述するフローからも明らかなように、上記のような一部燃料の圧縮行程噴射（分割噴射）は、第１プリイグ領域Ｒ１でのみ実行され、これよりも高回転側の第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で発生するプリイグニッションは、高温化した排気弁１２の傘部や点火プラグ１６を熱源として起きるものであり、このような熱源の存在に起因したプリイグニッションは、例えばアクセル全開での高速運転がかなりの長時間に亘って継続されるといった特殊な事情でもない限り、あまり想定されないものである。このため、第２プリイグ領域Ｒ２では、プリイグニッションの未然防止のために上記のような燃料の分割噴射（ステップＳ４）を実行する必要性が相対的に低く、このような事情から、燃料の分割噴射は、低回転側の第１プリイグ領域Ｒ１でのみ実行され、高回転側の第２プリイグ領域Ｒ２では実行されない。

上記のように第１プリイグ領域Ｒ１で燃料の分割噴射が開始されると、その後は、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Ｓ５）。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Ｓ５でＹＥＳと判定されて第１プリイグ領域Ｒ１でのプリイグニッションの発生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）。

次に、上記ステップＳ３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、つまりエンジンの運転状態が第２プリイグ領域Ｒ２にあることが確認された場合の制御動作について説明する。この場合は、次のステップＳ７において、上記ステップＳ５と同様の手法により、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。そして、ここでＹＥＳと判定されて第２プリイグ領域Ｒ２でのプリイグニッションの発生が確認された場合に、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Ｓ８）。

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（プリイグニッションが発生していない通常時）、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、現在の空燃比よりもリッチでかつ理論空燃比よりもリッチな値に設定される。

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を最大限にリタード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よりもさらにリタードされると、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、最大限にリタードできる量として、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リタードされ、エンジンの有効圧縮比が下げられる。

上記吸気弁１１の閉時期のリタードは、例えば２°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２°ＣＡだけリタードされ、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２°ＣＡだけリタードされる。そして、このような２°ＣＡ刻みのリタードが、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、その時点でリタードは停止される。

上記ステップＳ２３で吸気弁１１の閉時期が最遅時期Ｔｘまでリタードされた後、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、エンジンが異常であることを運転者等に報知する所定の警告が発せられる。すなわち、吸気弁１１の閉時期を最遅時期Ｔｘまでリタードさせても（つまりエンジンの有効圧縮比を最大限に低下させても）、なおもプリイグニッションが継続するという状態は、例えばエンジンの冷却系の故障等によりエンジンが異常に高温になっていることが考えられるため、これ以上運転を継続することは困難である。そこで、このような事態が生じていることを運転者等に報知すべく、所定の警告を発する。なお、警告を発するとともに、エンジン出力を大幅に低下させる制御を実行してもよい。

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の閉時期のリタード（ステップＳ２３）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およびステップＳ２３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）、吸気弁１１の閉時期（ＩＶＣ）、およびスロットル弁２２の開度（スロットル開度）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）が段階的にリタードされる。なお、上記空燃比のリッチ化は、筒内に導入される空気の量（吸入空気量Ｑａ）はそのままに、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って行われる。このため、空燃比のリッチ化のためにスロットル開度が変更されることはなく、例えば図示のような一定の開度に維持される。

次に、図５のステップＳ８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。

ただし、上記ステップＳ３１では、ステップＳ２２のときと異なり、インジェクタ１８からの燃料の噴射量を低減させつつ筒内の空燃比をリッチ化する制御が実行される。すなわち、第１プリイグ回避制御のときに実行される上記ステップＳ２２では、インジェクタ１８からの燃料の噴射量を増大させることで筒内の空燃比をリッチ化するようにしたが、第２プリイグ回避制御のときに実行される上記ステップＳ３１では、インジェクタ１８からの燃料の噴射量を低減させながらも、スロットル弁２２を閉方向に駆動して筒内への吸入空気量Ｑａを大幅に低減させることにより、筒内の空燃比を上記噴射量の低減前よりもリッチな値に設定する。

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、エンジンの異常を報知する所定の警告処理が実行される。

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）は実行されるものの、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の閉時期をリタードさせる制御（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、その時期がリタードされることはなく、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、空燃比を最大限リッチ化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）およびスロットル弁２２の開度（スロットル開度）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、スロットル開度が段階的に低減される（これに合わせてインジェクタ１８からの燃料の噴射量も低減される）ことにより、筒内の空燃比が段階的にリッチ化される。プリイグニッションを回避するための制御としては、このような空燃比のリッチ化が実行されるのみで、その他の制御は実行されない。

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Ｓ５またはステップＳ７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、吸気弁１１の閉時期が、本来の設定時期よりもリタードされているか否かを判定する制御が実行される（ステップＳ４１）。

上記図６のステップＳ２３で吸気弁１１の閉時期がリタードされていれば、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の閉時期をアドバンス（進角）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の閉時期のアドバンスは、上記図６のステップＳ２３のときと同様、例えば２°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２°ＣＡだけアドバンスされ、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２°ＣＡだけアドバンスされる。そして、このような２°ＣＡ刻みのアドバンスが、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の閉時期がリタード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、空燃比のリッチ化および吸気弁１１の閉時期のリタード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、まず吸気弁１１の閉時期（ＩＶＣ）を通常時期に向けて段階的にアドバンスする制御が実行され、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。なお、ここでの空燃比のリーン化は、吸入空気量Ｑａを変更することなく（つまりスロットル開度を変更することなく）、インジェクタ１８からの燃料の噴射量を低減させることにより、実現される。

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、空燃比を最大限にリッチ化する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、スロットル開度が段階的に増大される（これに合わせて燃料の噴射量も増大される）ことにより、筒内の空燃比が段階的にリーン化される。

（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の検出値に基づくプリイグニッションの検出が、閾値Ｎｅｘよりも低回転側の第１プリイグ領域Ｒ１でなされたか、これよりも高回転側の第２プリイグ領域Ｒ２でなされたかに応じて、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プリイグ回避制御には、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の閉時期をリタードさせて有効圧縮比を低下させる制御（ステップＳ２３）とが含まれる。一方、回転速度Ｎｅ≧Ｎｅｘのときに選択される第２プリイグ回避制御には、空燃比をリッチ化する制御（ステップＳ３１）は含まれるが、上記第１プリイグ回避制御のときと異なり、吸気弁１１の閉時期をリタードさせる制御は含まれず、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、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、上記実施形態では、エンジン回転速度Ｎｅが閾値Ｎｅｘ未満のときにプリイグニッションが検出された場合の対策（第１プリイグ回避制御）として、空燃比をリッチ化して筒内温度の低下を図る制御と、有効圧縮比を下げて圧縮端圧力（圧縮上死点での筒内圧力）の低下を図る制御との、２種類の制御が用意されているため、プリイグニッションの程度に応じて上記２種類の制御の一方もしくは両方を選択的に実行する等により、適正かつ確実にプリイグニッションを抑制することができる。

一方、エンジン回転速度Ｎｅが閾値Ｎｅｘ以上のときのプリイグニッション、つまり、燃料の受熱期間（燃料が高温・高圧環境下に晒される実時間）が短く本来は自着火しにくい条件下で起きるプリイグニッションは、高温化した排気弁１２や点火プラグ１６等が熱源となって起きるものと考えられるため、仮に有効圧縮比を下げて圧縮端圧力を低下させても、上記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の発生時に選択される第２プリイグ回避制御では、有効圧縮比を低下させる制御を行うことなく、空燃比のリッチ化のみで対応するようにした。このように、あまり有効な対策とならない圧縮比の低下制御を省略することで、その制御に無駄な時間が割かれるのを回避しながら、適正にプリイグニッションの抑制を図ることができる。なお、エンジン回転速度Ｎｅが閾値Ｎｅｘ以上のときの（第２プリイグ領域Ｒ２での）プリイグニッションは、発生する確率としては、回転速度Ｎｅが閾値Ｎｅｘ未満のときの（第１プリイグ領域Ｒ１での）プリイグニッションよりも低いため、上記第２プリイグ領域Ｒ２では、空燃比のリッチ化のみをプリイグニッションの対策制御として用意しておけば、基本的には問題ないと考えられる。

ただし、第２プリイグ領域Ｒ２でのプリイグニッションは、高温化した熱源を原因とするものであるため、これがひとたび発生すると、速やかにエンジンを冷却してプリイグニッションを回避しなければ、重大なエンジントラブルにつながるおそれがある。そこで、上記実施形態では、上記第２プリイグ回避制御で筒内の空燃比をリッチ化する際に、インジェクタ１８からの燃料の噴射量を低減させるとともに、その燃料に基づく筒内の空燃比が噴射量の低減前よりもリッチになるように、スロットル弁２２を閉方向に駆動して吸入空気量Ｑａを低減させるようにした。このように、燃料の噴射量を低減させつつ筒内の空燃比をリッチ化するようにした場合には、気化潜熱による筒内温度の低下が図れるだけでなく、混合気の燃焼に伴う発生熱量そのものを減少させることができるため、より高いエンジンの冷却効果が期待できる。したがって、空燃比のリッチ化のみによって、より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。

また、上記実施形態では、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ときに実行される第１プイリグ回避制御において、空燃比をリッチ化する制御（ステップＳ２２）がまず最初に行われ、吸気弁１１の閉時期をリタードさせて有効圧縮比を低下させる制御（ステップＳ２３）は後回しにされるため、有効圧縮比の低下によるエンジン出力の低下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迅速かつ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、いきなり有効圧縮比を低下させる制御を実行したような場合には、プリイグニッションの程度にかかわらずエンジン出力が低下してしまうという問題がある。また、有効圧縮比を低下させる制御（吸気弁１１の閉時期をリタードさせる制御）は、特に吸気弁１１の閉時期を変更するためのＶＶＴ１５が液圧式の可変機構である場合には、ＶＶＴ１５の作動所要時間に起因したある程度の長さの応答遅れを伴う。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、上記のようなエンジン出力の低下を極力回避できるととともに、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、エンジン負荷Ｃｅが高くかつエンジン回転速度Ｎｅが閾値Ｎｅｘ未満である上記第１プリイグ領域Ｒ１において、プリイグニッションの検出の有無にかからず、インジェクタ１８から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制御（ステップＳ４）を実行するようにした。このように、プリイグニッションが最も発生しやすい運転領域（第１プリイグ領域Ｒ１）において、一部の燃料の噴射時期を圧縮行程の中期以降まで遅らせる制御を恒常的に実行するようにした場合には、その噴射時期が遅い燃料の気化潜熱によって筒内温度が低下するため、プリイグニッションの発生を未然に防止でき、上述した空燃比のリッチ化や有効圧縮比の低下（第１プリイグ回避制御）が必要になる頻度を効果的に低減させることができる。

また、上記実施形態では、図１０および図１１に示したように、第１プリイグ回避制御および第２プリイグ回避制御のいずれにおいても、空燃比のリッチ化を段階的に行うようにした。このように、空燃比を段階的にリッチ化した場合には、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。

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（吸気弁の閉時期のリタード）を段階的に行うようにしたため、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の回避を図ることができる。

また、上記実施形態において、第１プリイグ回避制御を行う際に、空燃比のリッチ化と、有効圧縮比の低下（吸気弁の閉時期のリタード）との両方が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、まず吸気弁の閉時期をアドバンス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、低下した有効圧縮比をまず元に戻すことにより、エンジン出力が低下する時間を最小限に抑えることができる。そして、その後で、リッチ化された空燃比をリーン側に戻すことにより、出力の確保を優先しながら、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リタード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、第１プリイグ回避制御時において、まず空燃比をリッチ化する制御（ステップＳ２２）を実行し、最大限リッチ化した状態でもプリイグニッションが回避できない場合にのみ、吸気弁１１の閉時期をリタードさせて有効圧縮比を低下させる制御（ステップＳ２３）を実行するようにしたが、これら２種類の制御を、プリイグニッションの検出当初から同時並行で実行するようにしてもよい。例えば、プリイグニッションが検出されたときに、空燃比を所定量リッチ化する制御と、吸気弁１１の閉時期（ＩＶＣ）を所定量リタードさせる制御とを同時に行い、それでもプリイグニッションが回避されなければ、上記空燃比のリッチ化とＩＶＣのリタードとをさらに進める、というようしてもよい。また、プリイグニッションを確実に１回の制御で回避することを優先する場合には、上記空燃比のリッチ化とＩＶＣのリタードとを段階的に進めるのではなく、大幅なリッチ化とＩＶＣリタードとを１回だけ実施するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、低回転かつ高負荷域の第１プリイグ領域Ｒ１で、例えば図９（ｂ）に示したように、プリイグニッション発生の有無にかかわらず、一部燃料の噴射時期を圧縮行程の中期以降に遅らせる制御（分割噴射）を実行することにより、上記第１プリイグ領域Ｒ１でのプリイグニッションを未然に防止するようにしたが、プリイグニッションが発生していないときには、図９（ａ）に示したような吸気行程中の一括噴射としてもよい。そして、プリイグニッションが発生したときに初めて、図９（ｂ）のような燃料の分割噴射を、上述した第１プリイグ回避制御（空燃比のリッチ化や有効圧縮比の低下制御）とともに実行するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、第２プリイグ回避制御のときに、スロットル弁２２を閉方向に駆動して吸入空気量Ｑａを低減させることにより、インジェクタ１８からの燃料の噴射量を低減させつつ筒内の空燃比をリッチ化するようにしたが、この空燃比のリッチ化のために行われる吸入空気量Ｑａの低減制御は、スロットル弁２２の閉操作以外でも実現可能である。例えば、吸気弁１１のリフト量を可変的に設定することが可能な可変リフト機構を備えるエンジンにあっては、吸気弁１１のリフト量が低減する方向に上記可変リフト機構を作動させれば、スロットル弁２２を閉操作したときと同様、吸入空気量Ｑａを低減させることが可能である。

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リタードさせた場合には、それによってノッキングが抑制されるため、点火時期のリタード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、点火時期をリタード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、点火時期のリタード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 (10)

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、吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構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、かつエンジン回転速度が所定値未満であることが確認された場合の制御として、第１プリイグ回避制御を実行するステップと、
   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、かつエンジン回転速度が所定値以上であることが確認された場合の制御として、第２プリイグ回避制御を実行するステップとを含み、
   上記第１プリイグ回避制御には、上記インジェクタから噴射された燃料に基づき筒内に形成される混合気の空燃比をリッチ化する制御と、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とが含まれ、
   上記第２プリイグ回避制御には、上記筒内の空燃比をリッチ化する制御が含まれる一方、上記エンジンの有効圧縮比を低下させる制御は含まれない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、
   上記第２プリイグ回避制御で筒内の空燃比をリッチ化する際には、上記インジェクタからの燃料の噴射量を低減させとともに、その燃料に基づく筒内の空燃比が噴射量の低減前よりもリッチになるように筒内への吸入空気量を低減させ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２記載の火花点火式エンジンの制御方法において、
   上記第２プリイグ回避制御で筒内の空燃比をリッチ化する際には、吸気通路内に設けられたスロットル弁を閉方向に駆動することにより、吸入空気量を低減させ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１〜３のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンの制御方法において、
   上記第１プリイグ回避制御で有効圧縮比を低下させる際には、上記吸気弁の閉時期を、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から、さらに遅角側に変更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. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンの制御方法において、
   エンジン負荷が高くかつエンジン回転速度が上記所定値未満の運転領域では、上記プリイグニッションの検出の有無にかかわらず、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らせる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。
6. 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、吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構と、上記インジェクタおよび可変機構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、かつエンジン回転速度が所定値未満であることが確認された場合の制御として、第１プリイグ回避制御を実行するとともに、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、かつエンジン回転速度が所定値以上であることが確認された場合の制御として、第２プリイグ回避制御を実行するものであり、
   上記第１プリイグ回避制御には、上記インジェクタから噴射された燃料に基づき筒内に形成される混合気の空燃比をリッチ化する制御と、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とが含まれ、
   上記第２プリイグ回避制御には、上記筒内の空燃比をリッチ化する制御が含まれる一方、上記エンジンの有効圧縮比を低下させる制御は含まれない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６記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   上記制御手段は、上記第２プリイグ回避制御で筒内の空燃比をリッチ化する際に、上記インジェクタからの燃料の噴射量を低減させるとともに、その燃料に基づく筒内の空燃比が噴射量の低減前よりもリッチになるように筒内への吸入空気量を低減させ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または７記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   吸気通路内に設けられた開閉可能なスロットル弁を備え、
   上記制御手段は、上記第２プリイグ回避制御で筒内の空燃比をリッチ化する際に、上記スロットル弁を閉方向に駆動することにより、吸入空気量を低減させることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
9. 請求項６〜８のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   上記制御手段は、上記第１プリイグ回避制御で有効圧縮比を低下させる際に、上記吸気弁の閉時期を、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から、さらに遅角側に変更することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
10. 請求項６〜９のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
    上記制御手段は、エンジン負荷が高くかつエンジン回転速度が上記所定値未満の運転領域において、上記プリイグニッションの検出の有無にかかわらず、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らせる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。

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