ところで、圧縮着火燃焼においては、圧縮端温度及び圧縮端圧力が高い方が燃焼が安定化する。そのため、圧縮端温度及び圧縮端圧力が高くなるような工夫、例えば幾何学的圧縮比を高く設定するという工夫が施される場合がある。一方で、火花点火燃焼においては、そうした圧縮端温度及び圧縮端圧力を高めるような工夫は、過早着火やノッキングといった異常燃焼を招きやすくなる。そこで、圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との切り替えを行うエンジンにおいては、火花点火燃焼を行う運転状態においては、圧縮着火燃焼時には行わない特定の制御を実行することによって、異常燃焼を回避する場合がある。
ところが、そのように火花点火燃焼時に特定の制御を実行する場合は、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切り替え時、又は、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切り替え時に、特定の制御の開始や終了に遅れが生じ、その制御遅れに起因する燃焼形態の悪化等の問題が生じる虞がある。
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮着火燃焼を実行する圧縮着火モードと、火花点火燃焼を実行する火花点火モードとの間で、モードの切り替えを行う火花点火式ガソリンエンジンにおいて、モードの切り替え過渡における制御遅れに起因する問題を回避することにある。
前述したように、圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との切り替えを行うエンジンにおいては、火花点火燃焼時に、過早着火やノッキングといった異常燃焼が発生しやすくなる。本願発明者らは先ず、この異常燃焼を回避する技術について検討を行った。
過早着火やノッキングといった異常燃焼は、圧縮行程中に未燃混合気が圧縮されることに伴う自己着火反応、及び、混合気の燃焼中に、既燃部分の膨張によって、混合気の未燃部分が圧縮されることに伴う自己着火反応である。従来のエンジンでは、例えば吸気行程中に燃料を噴射することが行われるが、これは燃料の噴射開始から燃焼の終了までの時間である未燃混合気反応可能時間が長くなり、異常燃焼を招く要因となり得る。
未燃混合気の反応可能時間は、燃料噴射弁が燃料を噴射する期間である噴射期間、燃料の噴射完了後から、点火プラグ周りに可燃混合気が形成されるまでの混合気形成期間、及び、点火プラグ周りの可燃混合気に点火をすることによって燃焼が開始した後、その燃焼が終了するまでの燃焼期間、の3つの期間から構成されている。本願発明者らは、これらの3つの期間をそれぞれ短縮し得る方策について検討した結果、圧縮上死点付近のタイミングで、比較的高い燃料圧力でもって、気筒内に燃料を噴射することが、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間をそれぞれ短縮することを見出した。
そこで、本願発明者らは、エンジン負荷に応じて、圧縮着火燃焼を実行する圧縮着火モードと、火花点火燃焼を実行する火花点火モードとの間で、モードの切り替えを行うエンジンにおいて、火花点火モードでは、前述したように、圧縮着火モード時の燃料圧力よりも高い燃料圧力でもって、圧縮上死点付近のタイミングで気筒内に燃料を直接噴射するという特定の制御を行うことによって、異常燃焼を回避することとした。
しかしながら、この構成の場合、圧縮着火モード時と火花点火モード時とでは、燃料圧力が大きく相違することになるから、圧縮着火モードから火花点火モードへ移行する遷移期間においては、燃料圧力の上昇が遅れてしまうことで、特定の制御の開始が実質的に遅れてしまい、前述した、異常燃焼を回避することができるような燃料噴射の形態とならずに異常燃焼を回避することができなくなる虞がある。逆に、火花点火モードから圧縮着火モードへ移行する遷移期間においては、燃料圧力の低下が遅れてしまうことで、特定の制御の終了が実質的に遅れてしまい、高すぎる燃料圧力で、例えば吸気行程中に気筒内に燃料を噴射することにより、気筒の壁面に大量の燃料が付着してしまい、オイル希釈等の別の問題が生じる虞がある。
そこで、火花点火モードにおいて高い燃料圧力による燃料噴射を行う前提において、こうした圧縮着火モードと火花点火モードとの間でのモードの遷移期間では、燃料圧力の変化の遅れを補う制御を行うこととした。
具体的に、ここに開示する火花点火式ガソリンエンジンの制御装置は、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるように構成されたエンジン本体と、前記エンジン本体の気筒内に前記燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、前記気筒内に臨んで配設されかつ、当該気筒内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、前記エンジン本体によって駆動される燃料ポンプを含みかつ、前記燃料噴射弁が噴射する燃料の圧力を変更するように構成された燃圧可変機構と、少なくとも前記燃料噴射弁、前記点火プラグ及び前記燃圧可変機構を制御することによって、前記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、を備える。
そして、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が少なくとも低速域にあるときには、
所定の低負荷域では、吸気行程乃至圧縮行程中に所定回の燃料噴射を行うように前記燃料噴射弁を駆動することによって、圧縮着火燃焼を実行する圧縮着火モードとし、
前記圧縮着火モードよりも負荷の高い高負荷域では、前記圧縮着火モードにおける少なくとも低負荷域での燃料圧力よりも高くなるように、前記燃圧可変機構を制御すると共に、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内の特定タイミングで行う燃料噴射を少なくとも含むように、前記燃料噴射弁を駆動しかつ、前記リタード期間内における、前記燃料の噴射後に点火するように、前記点火プラグを駆動する火花点火モードとする。
前記制御器はまた、前記エンジン本体の運転状態が変化することに伴い、前記圧縮着火モードから前記火花点火モードへと移行する際のモードの遷移期間内では、前記火花点火モードにおける前記特定タイミングよりも遅角したタイミングで燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁を駆動すると共に、その噴射後に点火するように、前記点火プラグを駆動し、前記遷移期間内における、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングの遅角量は、前記火花点火モードにおいて設定される目標燃料圧力と実際の燃料圧力との偏差が大きいほど、大きくする。
ここで、「低速域」は、エンジン本体の運転領域を、速度の高低について二つの領域に区分した場合の、低速側の領域としてもよいし、又は、エンジン本体の運転領域を、低速、中速、高速の3つの領域に区分した場合の、低速の領域としてもよい。
「圧縮行程後期」は、圧縮行程を、初期、中期、及び後期の3つの期間に区分した場合の後期としてもよく、同様に、「膨張行程初期」は、膨張行程を、初期、中期、及び後期の3つの期間に区分した場合の初期としてもよい。
先ず、エンジン本体の運転状態が、少なくとも低速域内の所定の低負荷域にあるときには、圧縮着火燃焼を実行する圧縮着火モードとする。圧縮着火燃焼は、排気エミッションの向上と熱効率の向上との両立に有利である。
これに対し、エンジン本体の運転領域が、少なくとも低速域内の、圧縮着火モードよりも高負荷域にあるときには、火花点火モードとする。ここで「低負荷域」及び「高負荷域」はそれぞれ、エンジン本体の運転領域を、負荷の高低について二つの領域に区分した場合の、低負荷側の領域、及び高負荷側の領域としてもよい。
火花点火モードである、低速域内の高負荷域では、クランク角の変化に対する実時間が長くなる上に、気筒内の圧力及び温度が高くなるため、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じやすくなる。そこで、火花点火モードでは、制御器が、燃料圧力を、圧縮着火モードにおける、少なくとも低負荷域での燃料圧力よりも高める。尚、例えば圧縮着火モードにおける高負荷域での燃料圧力が、火花点火モードでの燃料圧力よりも高くなる場合もあり得る。
ここで、高い燃料圧力は、単位時間当たりに噴射される燃料量を相対的に多くする。このため、同一の燃料噴射量で比較した場合に、高い燃料圧力は、気筒内に燃料を噴射する期間、つまり噴射期間を、低い燃料圧力よりも短縮する。
また、高い燃料圧力は、気筒内に噴射する燃料噴霧の微粒化に有利になると共に、燃料噴霧の飛翔距離を、より長くする。このことから、高い燃料圧力は、燃料の噴射完了後、点火プラグ周りに可燃混合気が形成されるまでの期間(混合気形成期間)を短縮する。
混合気形成期間の終了タイミングは、圧縮上死点付近に設定される点火タイミングと実質的に同じになるから、前述した噴射期間の短縮及び混合気形成期間の短縮は、燃料の噴射タイミング(より正確には、噴射開始タイミング)を、比較的遅いタイミングにすることを可能にする。そこで、前記の構成では、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内のタイミングで、高い燃料圧力での燃料噴射を実行する。
高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射することに伴い、その気筒内の乱れが強くなり、気筒内の乱れエネルギが高まる。この高い乱れエネルギは、燃料噴射のタイミングが比較的遅いタイミングに設定されることと相俟って、燃焼期間の短縮に寄与する。
つまり、高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射するとしても、仮にその噴射タイミングが吸気行程中であれば、点火タイミングまでの時間が長いことや、吸気行程後の圧縮行程において気筒内が圧縮されることに起因して乱れが減衰し、燃焼期間内における気筒内の乱れエネルギは、比較的低くなってしまう。気筒内の乱れエネルギは、高い方が燃焼期間の短縮に有利になるため、高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射するとしても、噴射タイミングが吸気行程中である以上は、燃焼期間の短縮には大きく寄与しない。
これに対し、前記の構成のように、リタード期間内の比較的遅いタイミングでかつ、高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射することは、気筒内の乱れの減衰を抑制しつつ、燃焼を開始することを可能にするから、燃焼期間内における気筒内の乱れエネルギが高くなる。これによって、燃焼期間は短くなる。
このように、高い燃料圧力でかつ、比較的遅いタイミングのリタード期間内において、気筒内に燃料噴射を実行することは、噴射期間の短縮、混合気形成期間の短縮、及び、燃焼期間の短縮を可能にする。その結果、未燃混合気の反応可能時間は大幅に短くなるため、過早着火やノッキング等の異常燃焼を、有効に回避することができる。
この構成は、気筒内への燃料噴射の形態を工夫することによって異常燃焼を回避しているから、異常燃焼の回避を目的として点火タイミングを遅角する必要がなくなる、又は、その遅角量を小さくすることが可能になる。このことは、点火タイミングを可及的に進角させることを可能にするから、前記の構成は、火花点火モードにおいて、異常燃焼の回避と共に、熱効率の向上及びトルクの向上、言い換えると燃費の向上に有利になる。
このように火花点火モードにおいては、燃料圧力を相対的に高めている。このため、例えばエンジン負荷の増大に伴い圧縮着火モードから火花点火モードへと移行する際には、燃料圧力を上昇させなければならない。しかしながら、燃圧可変機構は、エンジン本体によって駆動される燃料ポンプを備えていることから、燃料圧力の上昇率は比較的低く、モードの変更に対して、燃料圧力の上昇は遅れてしまう。特にエンジン負荷の増大に伴い圧縮着火モードから火花点火モードへ移行するときには、エンジン回転数の上昇に伴う移行ではないため、燃料圧力の上昇は相対的に遅れてしまう。その結果、圧縮着火モードから火花点火モードへと移行した後の過渡では、火花点火モードであるにも拘わらず、燃料圧力は所望の燃料圧力よりも低くなり、前述したリタード期間内での燃料噴射を行ったとしても、異常燃焼を回避することができない虞がある。
そこで、前記の構成では、圧縮着火モードから火花点火モードへ移行する際の遷移期間内では、火花点火モードにおいて設定されている噴射タイミングよりも遅角したタイミングで燃料噴射を行うと共に、火花点火モードにおいて設定されている点火タイミングよりも遅角したタイミングで、点火プラグを駆動する。リタードした点火タイミングは、未燃混合気の反応の進行を抑制するため、遷移期間内での異常燃焼の回避に有利になる。
ここで、「遷移期間」は、圧縮着火モードと火花点火モードとのモードの切り替えタイミングを含む所定の過渡期間であり、前述した噴射タイミング及び点火タイミングのリタード制御は、圧縮着火モードから火花点火モードへとモードを変更した後の所定の期間だけ行ってもよい。また、リタード制御を、圧縮着火モードから火花点火モードへとモードを変更する直前から開始し、モードが変更された後に終了してもよい。
そうして、遷移期間が経過した後は、燃料圧力が十分に上昇していることから、リタード期間内において、高い燃料圧力で気筒内に燃料噴射を実行することで異常燃焼を回避し得るから、点火タイミングを特定タイミングに設定することによって、トルクの向上及び燃費の向上に有利になる。従って、ここでいう「遷移期間」は、燃料圧力が所望の圧力にまで上昇するまでの期間と定義することも可能である。また、遷移期間内における噴射タイミング及び点火タイミングの遅角量は、火花点火モードにおいて設定される燃料圧力(目標燃料圧力)と、実際の燃料圧力との偏差に応じて変更する。すなわち、燃料圧力の偏差が小さいほど、リタード期間内の燃料噴射によって異常燃焼を回避する可能性が高くなり、当該偏差が大きいほど、燃料噴射では、異常燃焼を回避し難くなる。このことから、偏差が小さいほど噴射タイミング及び点火タイミングの遅角量を小さくし、偏差が大きいほど噴射タイミング及び点火タイミングの遅角量を大きくする。
ここに開示する、別のエンジンの制御装置は、前記制御器が、前記エンジン本体の運転状態が変化することに伴い、前記火花点火モードから前記圧縮着火モードへと移行する際のモードの遷移期間内では、前記圧縮着火モードにおける前記所定回よりも前記燃料噴射の回数が増えるように、前記燃料噴射弁を駆動し、前記遷移期間内における、燃料の噴射回数の増加量は、前記圧縮着火モードにおいて設定される目標燃料圧力と実際の燃料圧力との偏差が大きいほど、大きくする。
前記とは逆に、火花点火モードから圧縮着火モードへの移行時には、燃料圧力を低下させなればならないが、モードの変更に対して、燃料圧力の低下は遅れてしまう。その結果、火花点火モードから圧縮着火モードへと移行する過渡では、燃料圧力が高すぎることになり、その高い燃料圧力でもって、吸気行程乃至圧縮行程中に燃料噴射を行うことに伴い、燃料が気筒の内壁面等に大量に付着してしまう虞がある。これは、オイル希釈等の問題を招く。
そこで、前記の構成では、火花点火モードから圧縮着火モードへ移行する際のモードの遷移期間内では、燃料噴射の回数を、通常の圧縮着火モードにおいて設定されている回数よりも増やす。つまり、要求される噴射量の燃料を多数回に分割して噴射するため、1回の噴射当たりの噴射量は相対的に少なくなる。その結果、燃料圧力が高くても、燃料が気筒の内壁面等に付着することが抑制されて、オイル希釈等の問題を回避することが可能になる。
そうして、遷移期間が経過した後は、燃料圧力が十分に低下していることから、燃料噴射の回数は、圧縮着火モードにおいて設定されている回数にしても、オイル希釈等の問題は生じない。
ここでいう「遷移期間」は、前記と同様に、火花点火モードと圧縮着火モードとのモードの切り替えタイミングを含む所定の過渡期間であり、前述した燃料噴射回数の増加制御は、火花点火モードから圧縮着火モードへとモードを変更した後の所定の期間だけ行ってもよい。また、増加制御を、火花点火モードから圧縮着火モードへとモードを変更する直前から開始し、モードが変更された後に終了してもよい。また、「遷移期間」は、燃料圧力が所望の圧力にまで低下するまでの期間と定義することも可能であり、圧縮着火モードから火花点火モードへと移行する際の遷移期間と、火花点火モードから圧縮着火モードへと移行する際の遷移期間と、は、必ずしも同じになるとは限らない。さらに、遷移期間内における噴射回数の増加量は、圧縮着火モードにおいて設定される燃料圧力(目標燃料圧力)と、実際の燃料圧力との偏差に応じて変更する。すなわち、燃料圧力の偏差が小さいほど、燃料が気筒の内壁面等に付着する可能性は低くなり、当該偏差が大きいほど、燃料が気筒の内壁面等に付着する可能性が高くなる。このことから、偏差が小さいほど増加量を減らす一方(例えば、圧縮着火モードで1回の燃料噴射が設定されている場合は、それに1だけ追加した2回の燃料噴射を実行する)、偏差が大きいほど増加量を増やす(例えば、圧縮着火モードで1回の燃料噴射が設定されている場合は、それに2を追加した3回の燃料噴射を実行する)。
前記燃圧可変機構は、前記火花点火モードにおいては、前記燃料圧力を40MPa以上に設定する、としてもよい。
40MPa以上の燃料圧力は、前述した、噴射期間の短縮、混合気形成期間の短縮、及び、燃焼期間の短縮の全てを有効に実現する。その結果、火花点火モードにおける異常燃焼の回避が実現する。尚、燃料圧力の最大値は、燃料の性状に応じて設定すればよい。一例として、但しこれに限定されないが、燃料圧力の最大値を120MPa程度に設定してもよい。
エンジン本体の幾何学的圧縮比は、14以上でかつ、例えば20以下に設定してもよい。
高い圧縮比は、圧縮端圧力及び圧縮端温度を高めるため、圧縮着火燃焼の安定化に寄与する。また、高い圧縮比は、理論熱効率を高める。一方で、高い圧縮比は、エンジン本体の運転領域が低速域内の高負荷域にある火花点火モードでは、異常燃焼が生じやすい。しかしながら、この構成では、前述したように、火花点火モードにおいては、高い燃焼圧力でもって、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内で、燃料噴射を行うことにより、異常燃焼が効果的に回避される。
前記制御器は、前記圧縮着火モードにおいては、前記リタード期間内の燃料噴射時期よりも進角側のタイミングで燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁を駆動すると共に、前記エンジン本体の既燃ガスの一部を前記気筒内に存在させることによって、前記気筒内の混合気を圧縮着火させる、としてもよい。
圧縮着火モードにおいては、燃料の噴射タイミングを進角させることによって、比較的均質なリーン混合気を形成することが可能になると共に、既燃ガスの一部を気筒内に存在させることにより圧縮端温度が高まるから、圧縮着火燃焼の安定化に有利になる。
前記制御器は、前記圧縮着火モードにおいては、前記エンジン本体に取り付けられた吸気弁及び排気弁の少なくとも一方を制御することによって、前記既燃ガスの一部を前記気筒内に実質的に残留させる、としてもよい。
すなわち、圧縮着火燃焼を行うときには、内部EGRを利用して高温の既燃ガスを気筒内に残留させる。内部EGRは、圧縮端温度を効率的に高めるため、圧縮着火燃焼の安定化に、より一層有利になる。
前記制御器は、前記火花点火モードにおいては、前記エンジン本体を空燃比λ=1で運転する、としてもよい。
理論空燃比での運転は、リーン運転と比較して、燃焼期間を短縮する。従って、火花点火モードにおいて、未燃混合気の反応可能時間が短くなって、異常燃焼の回避に有利になる。また、エンジン本体を理論空燃比で運転することは、三元触媒の利用を可能にする。このことから、λ=1運転は、火花点火モードにおけるエミッション性能の向上に有利になる。
前記エンジンの制御装置は、前記エンジン本体の排気側の既燃ガスの一部を吸気側に還流させるEGR通路をさらに備え、前記制御器は、少なくとも全開負荷を除く、前記火花点火モードにおいては、前記EGR通路を介した排気還流を実行する、としてもよい。
すなわち、エンジン本体の運転状態が、低速域内の、少なくとも全開負荷を除く前記高負荷域にあるときには、外部EGRを利用してEGRガスを気筒内に導入してもよい。このことは、異常燃焼の回避と共に、Raw NOxの生成を抑制する。また、ポンプ損失や冷却損失の低減による燃費の向上にも寄与する。
以上説明したように、この火花点火式ガソリンエンジンの制御装置は、エンジンの負荷に応じて圧縮着火モードと火花点火モードとの切り替えを行うと共に、その火花点火モードでは、高い燃料圧力でもって、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内のタイミングで燃料噴射を行って、火花点火燃焼を行うことにより、異常燃焼を有効に回避することが可能になる。
そうして、圧縮着火モードから火花点火モードへ移行する際の遷移期間においては、噴射タイミング及び点火タイミングを、設定されているタイミングよりも遅角することで、異常燃焼を回避することが可能になる一方、火花点火モードから圧縮着火モードへ移行する際の遷移期間においては、燃料噴射の回数を、設定されている回数よりも増やすことで、オイル希釈等の問題を回避することが可能になる。
以下、火花点火式ガソリンエンジンの制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、例示である。図1,2は、エンジン(エンジン本体)1の概略構成を示す。このエンジン1は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給される火花点火式ガソリンエンジンである。エンジン1は、複数の気筒18(一つのみ図示)が設けられたシリンダブロック11と、このシリンダブロック11上に配設されたシリンダヘッド12と、シリンダブロック11の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン13とを有している。各気筒18内には、コンロッド142を介してクランクシャフト15と連結されているピストン14が往復動可能に嵌挿されている。ピストン14の頂面には、図3に拡大して示すように、リエントラント形のようなキャビティ141が形成されている。キャビティ141は、ピストン14が圧縮上死点付近に位置するときには、後述する直噴インジェクタ67に相対する。シリンダヘッド12と、気筒18と、キャビティ141を有するピストン14とは、燃焼室19を区画する。尚、燃焼室19の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ141の形状、ピストン14の頂面形状、及び、燃焼室19の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。
このエンジン1は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、14以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。尚、幾何学的圧縮比は14以上20以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。
シリンダヘッド12には、気筒18毎に、吸気ポート16及び排気ポート17が形成されていると共に、これら吸気ポート16及び排気ポート17には、燃焼室19側の開口を開閉する吸気弁21及び排気弁22がそれぞれ配設されている。
吸気弁21及び排気弁22をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気弁22の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変機構(図2参照。以下、VVL(Variable Valve Lift)と称する)71が設けられている。VVL71は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を一つ有する第1カムとカム山を二つ有する第2カムとの、カムプロファイルの異なる2種類のカム、及び、その第1及び第2カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。第1カムの作動状態を排気弁22に伝達しているときには、排気弁22は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動する(図10(c)(d)参照)のに対し、第2カムの作動状態を排気弁22に伝達しているときには、排気弁22が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する(図10(a)(b)参照)。VVL71の通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。具体的に、特殊モードは、内部EGRに係る制御の際に利用される。尚、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁22を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。また、内部EGRの実行は、排気の二度開きのみによって実現されるのではない。例えば吸気弁21を二回開く、吸気の二度開きによって内部EGR制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁21及び排気弁22の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを気筒18内に残留させる内部EGR制御を行ってもよい。
VVL71を備えた排気側の動弁系に対し、吸気側には、図2に示すように、クランクシャフト15に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構(以下、VVT(Variable Valve Timing)と称する)72と、吸気弁21のリフト量を連続的に変更することが可能なリフト量可変機構(以下、CVVL(Continuously Variable Valve Lift)と称する)73とが設けられている。VVT72は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。また、CVVL73も、公知の種々の構造を適宜採用することが可能であり、その詳細な構造についての図示は省略する。VVT72及びCVVL73によって、吸気弁21は、図10(a)〜(d)に示すように、その開弁タイミング及び閉弁タイミング、並びに、リフト量をそれぞれ変更することが可能である。
シリンダヘッド12にはまた、気筒18毎に、気筒18内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタ67と、吸気ポート16内に燃料を噴射するポートインジェクタ68とがそれぞれ取り付けられている。
直噴インジェクタ67は、図3に拡大して示すように、その噴口が燃焼室19の天井面の中央部分から、その燃焼室19内に臨むように配設されている。直噴インジェクタ67は、エンジン1の運転状態に応じた噴射タイミングでかつ、エンジン1の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室19内に直接噴射する。この例において、直噴インジェクタ67は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型のインジェクタである。これによって、直噴インジェクタ67は、燃料噴霧が放射状に広がるように、燃料を噴射する。図3に矢印で示すように、ピストン14が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室19の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に形成されたキャビティ141の壁面に沿って流動することにより、後述する点火プラグ25の周囲に到達するようになる。キャビティ141は、ピストン14が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている、と言い換えることが可能である。この多噴口型のインジェクタ67とキャビティ141との組み合わせは、燃料の噴射後、点火プラグ25の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。尚、直噴インジェクタ67は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを、直噴インジェクタに採用してもよい。
ポートインジェクタ68は、図1に示すように、吸気ポート16乃至吸気ポート16に連通する独立通路に臨んで配置されかつ、吸気ポート16内に燃料を噴射する。ポートインジェクタ68は、一つの気筒18に対して一つ設けてもよいし、一つの気筒18に対し二つの吸気ポート16が設けられているのであれば、二つの吸気ポート16のそれぞれに設けてもよい。ポートインジェクタ68の形式は特定の形式の限定されるものではなく、種々の形式のインジェクタを、適宜採用することが可能である。
図外の燃料タンクと直噴インジェクタ67との間は、高圧燃料供給経路によって互いに連結されている。この高圧燃料供給経路上には、高圧燃料ポンプ63とコモンレール64とを含みかつ、直噴インジェクタ67に、相対的に高い燃料圧力で燃料を供給する高圧燃料供給システム62が介設されている。高圧燃料ポンプ63は、燃料タンクからコモンレール64に燃料を圧送し、コモンレール64は圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄える。直噴インジェクタ67が開弁することによって、コモンレール64に蓄えられている燃料が直噴インジェクタ67の噴口から噴射される。ここで、高圧燃料ポンプ63は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、例えばクランク軸とカム軸との間のタイミングベルトに連結されることにより、エンジン1によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の高圧燃料供給システム62は、40MPa以上の高い燃料圧力の燃料を、直噴インジェクタ67に供給することを可能にする。直噴インジェクタ67に供給される燃料の圧力は、後述するように、エンジン1の運転状態に応じて変更される。尚、高圧燃料供給システム62は、これに限定されるものではない。
同様に、図外の燃料タンクとポートインジェクタ68との間は、低圧燃料供給経路によって互いに連結されている。この低圧燃料供給経路上には、ポートインジェクタ68に対し、相対的に低い燃料圧力の燃料を供給する低圧燃料供給システム66が介設されている。低圧燃料供給システム66は、詳細な図示は省略するが、電動又はエンジン駆動の低圧燃料ポンプとレギュレータとを備えており、所定圧力の燃料を、各ポートインジェクタ68に供給するように構成されている。ポートインジェクタ68は、吸気ポートに燃料を噴射するため、低圧燃料供給システム66が供給する燃料の圧力は、高圧燃料供給システム62が供給する燃料の圧力に比べて、低い圧力に設定されている。
シリンダヘッド12にはまた、燃焼室19内の混合気に点火する点火プラグ25が取り付けられている。点火プラグ25は、エンジン1の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド12内を貫通して配置されている。図3に示すように、点火プラグ25の先端は、燃焼室19の中央部分に配置された直噴インジェクタ67の先端近傍で、燃焼室19内に臨んで配置されている。
エンジン1の一側面には、各気筒18の吸気ポート16に連通するように吸気通路30が接続されている。一方、エンジン1の他側面には、各気筒18の燃焼室19からの既燃ガス(排気ガス)を排出する排気通路40が接続されている。
吸気通路30の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ31が配設されている。また、吸気通路30における下流端近傍には、サージタンク33が配設されている。このサージタンク33よりも下流側の吸気通路30は、各気筒18毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒18の吸気ポート16にそれぞれ接続されている。
吸気通路30におけるエアクリーナ31とサージタンク33との間には、空気を冷却又は加熱する、水冷式のインタークーラ/ウォーマ34と、各気筒18への吸入空気量を調節するスロットル弁36とが配設されている。吸気通路30にはまた、インタークーラ/ウォーマ34をバイパスするインタークーラバイパス通路35が接続されており、このインタークーラバイパス通路35には、当該通路35を通過する空気流量を調整するためのインタークーラバイパス弁351が配設されている。インタークーラバイパス弁351の開度調整を通じて、インタークーラバイパス通路35の通過流量とインタークーラ/ウォーマ34の通過流量との割合を調整することにより、気筒18に導入する新気の温度を調整する。
排気通路40の上流側の部分は、各気筒18毎に分岐して排気ポート17の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路40における排気マニホールドよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト41とアンダーフットキャタリスト42とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト41及びアンダーフットキャタリスト42はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。
吸気通路30におけるサージタンク33とスロットル弁36との間の部分と、排気通路40における直キャタリスト41よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路30に還流するためのEGR通路50を介して接続されている。このEGR通路50は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのEGRクーラ52が配設された主通路51と、EGRクーラ52をバイパスするためのEGRクーラバイパス通路53と、を含んで構成されている。主通路51には、排気ガスの吸気通路30への還流量を調整するためのEGR弁511が配設され、EGRクーラバイパス通路53には、EGRクーラバイパス通路53を流通する排気ガスの流量を調整するためのEGRクーラバイパス弁531が配設されている。
このように構成されたエンジン1は、パワートレイン・コントロール・モジュール(以下、PCMという)10によって制御される。PCM10は、CPU、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このPCM10が制御器を構成する。
PCM10には、図1,2に示すように、各種のセンサSW1〜SW16の検出信号が入力される。この各種のセンサには、次のセンサが含まれる。すなわち、エアクリーナ31の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサSW1及び新気の温度を検出する吸気温度センサSW2、インタークーラ/ウォーマ34の下流側に配置されかつ、インタークーラ/ウォーマ34を通過した後の新気の温度を検出する、第2吸気温度センサSW3、EGR通路50における吸気通路30との接続部近傍に配置されかつ、外部EGRガスの温度を検出するEGRガス温センサSW4、吸気ポート16に取り付けられかつ、気筒18内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサSW5、シリンダヘッド12に取り付けられかつ、気筒18内の圧力を検出する筒内圧センサSW6、排気通路40におけるEGR通路50の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサSW7及び排気圧センサSW8、直キャタリスト41の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアO2センサSW9、直キャタリスト41とアンダーフットキャタリスト42との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダO2センサSW10、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサSW11、クランクシャフト15の回転角を検出するクランク角センサSW12、車両のアクセルペダル(図示省略)の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサSW13、吸気側及び排気側のカム角センサSW14,SW15、及び、高圧燃料供給システム62のコモンレール64に取り付けられかつ、直噴インジェクタ67に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサSW16である。
PCM10は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン1や車両の状態を判定し、これに応じて直噴インジェクタ67、ポートインジェクタ68、点火プラグ25、吸気弁側のVVT72及びCVVL73、排気弁側のVVL71、高圧燃料供給システム62、並びに、各種の弁(スロットル弁36、インタークーラバイパス弁351、EGR弁511、及びEGRクーラバイパス弁531)のアクチュエータへ制御信号を出力する。こうしてPCM10は、エンジン1を運転する。
図4は、エンジン1の運転領域の一例を示している。このエンジン1は、燃費の向上や排気エミッションの向上を目的として、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域では、点火プラグ25による点火を行わずに、圧縮自己着火によって燃焼を行う圧縮着火燃焼を行う。しかしながら、エンジン1の負荷が高くなるに従って、圧縮着火燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、例えば燃焼騒音等の問題を引き起こすことになる。そのため、このエンジン1では、エンジン負荷が相対的に高い高負荷域では、圧縮着火燃焼を止めて、点火プラグ25を利用した火花点火燃焼に切り替える。また、エンジン1の回転数が高くなるに従って反応時間が足りなくなり、圧縮着火し難くなる、又は、圧縮着火しなくなる。そこで、このエンジン1では、相対的に低負荷域内であっても、高速域においては、火花点火燃焼を行う。従って、このエンジン1は、エンジン1の運転状態に応じて、圧縮着火燃焼を行うCI(Compression Ignition)モードと、火花点火燃焼を行うSI(Spark Ignition)モードとを切り替えるように構成されており、CIモードとSIモードとの燃焼モード切り替えの境界線は、図4に示すエンジン回転数とエンジン負荷のマップにおいて右下がりに設定される。但し、モード切り替えの境界線は、図例に限定されるものではない。
詳しくは後述するが、CIモードでは基本的に、例えば吸気行程乃至圧縮行程中の、比較的早いタイミングで、直噴インジェクタ67が気筒18内に燃料を噴射することにより、比較的均質なリーン混合気を形成すると共に、その混合気を圧縮上死点付近において圧縮自己着火させる。これに対し、SIモードでは基本的に、例えば吸気行程乃至圧縮行程中に、直噴インジェクタ67が気筒18内に燃料を噴射することにより、均質乃至成層化した混合気を形成すると共に、圧縮上死点付近において点火を実行することによってその混合気に着火する。SIモードではまた、理論空燃比(λ=1)でエンジン1を運転する。これは、三元触媒の利用を可能にするから、エミッション性能の向上に有利になる。
このエンジン1の幾何学的圧縮比は、前述の通り、14以上(例えば18)に設定されている。高い圧縮比は、圧縮端温度及び圧縮端圧力を高くするため、CIモードでは、圧縮着火燃焼の安定化に有利になる。一方で、この高圧縮比エンジン1は、高負荷域においてはSIモードに切り替えるため、特に低速域内において、エンジン負荷が高くなればなるほど、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じやすくなってしまうという不都合がある(図4の白抜きの矢印参照)。
そこでこのエンジン1では、エンジンの運転状態が低速域内の高負荷域にあるときには、燃料の噴射形態を従来とは大きく異ならせたSI燃焼を実行することによって、異常燃焼を回避するようにしている。具体的に、この燃料の噴射形態は、従来と比較して大幅に高圧化した燃料圧力でもって、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての大幅に遅角した期間(以下、この期間をリタード期間と呼ぶ)内で、直噴インジェクタ67によって、気筒18内に燃料噴射を実行するものである。この特徴的な燃料噴射形態を、以下においては「高圧リタード噴射」と呼ぶ。
図5は、前述した高圧リタード噴射によるSI燃焼(実線)と、吸気行程中に燃料噴射を実行する従来のSI燃焼(破線)とにおける、熱発生率(上図)及び未燃混合気反応進行度(下図)の違いを比較する図である。図5の横軸は、クランク角である。この比較の前提として、エンジン1の運転状態は共に低速域内の高負荷域であり、噴射する燃料量は、高圧リタード噴射によるSI燃焼と従来のSI燃焼との場合で互いに同じである。
先ず、従来のSI燃焼では、吸気行程中に気筒18内に所定量の燃料噴射を実行する(上図の破線)。気筒18内では、その燃料の噴射後、ピストン14が圧縮上死点に至るまでの間に、比較的均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点以降の、白丸で示す所定タイミングで点火が実行され、それによって燃焼が開始する。燃焼の開始後は、図5の上図に破線で示すように、熱発生率のピークを経て燃焼が終了する。ここで、燃料噴射の開始から燃焼の終了までの間が未燃混合気の反応可能時間(以下、単に反応可能時間という場合がある)に相当し、図5の下図に破線で示すように、この間に未燃混合気の反応は次第に進行する。同図における点線は、未燃混合気が着火に至る反応度である、着火しきい値を示しており、従来のSI燃焼は反応可能時間が非常に長く、その間、未燃混合気の反応が進行し続けてしまうことから、点火の前後に未燃混合気の反応度が着火しきい値を超えてしまい、過早着火又はノッキングといった異常燃焼を引き起こす。
これに対し、高圧リタード噴射は反応可能時間の短縮を図り、そのことによって異常燃焼を回避することを目的とする。すなわち、反応可能時間は、図5にも示しているように、直噴インジェクタ67が燃料を噴射する期間((1)噴射期間)と、噴射終了後、点火プラグ25の周りに可燃混合気が形成されるまでの期間((2)混合気形成期間)と、点火によって開始された燃焼が終了するまでの期間((3)燃焼期間)と、を足し合わせた時間、つまり、(1)+(2)+(3)である。高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間をそれぞれ短縮し、それによって、反応可能時間を短くする。このことについて、順に説明する。
先ず、高い燃料圧力は、単位時間当たりに直噴インジェクタ67から噴射される燃料量を相対的に多くする。このため、図6の中段に(1)で示す図のように、燃料噴射量を一定とした場合に、燃料圧力と燃料の噴射期間との関係は概ね、燃料圧力が低いほど噴射期間は長くなり、燃料圧力が高いほど噴射期間は短くなる。従って、燃料圧力が従来に比べて大幅に高く設定された高圧リタード噴射は、噴射期間を短縮する。
また、高い燃料圧力は、気筒18内に噴射する燃料噴霧の微粒化に有利になると共に、燃料噴霧の飛翔距離を、より長くする。このため、図6の下段に(A)で示す図のように、燃料圧力と燃料蒸発時間との関係は概ね、燃料圧力が低いほど燃料蒸発時間は長くなり、燃料圧力が高いほど燃料蒸発時間は短くなる。また、図6の下段に(B)で示す図のように、燃料圧力と点火プラグ25の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間は概ね、燃料圧力が低いほど到達までの時間は長くなり、燃料圧力が高いほど到達までの時間は短くなる。尚、点火プラグ25の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間は、直噴インジェクタ67の先端から点火プラグ25までの噴霧飛翔距離と、燃料圧力に比例する燃料噴射速度と、から算出可能である。混合気形成期間は、燃料蒸発時間と、点火プラグ25の周りへの燃料噴霧到達時間とを足し合わせた時間((A)+(B))であるから、図6の中段に(2)で示す図のように、燃料圧力が高いほど混合気形成期間は短くなる。従って、燃料圧力が従来に比べて大幅に高く設定された高圧リタード噴射は、燃料蒸発時間及び点火プラグ25の周りへの燃料噴霧到達時間がそれぞれ短くなる結果、混合気形成期間を短縮する。これに対し、同図に白丸で示すように、従来の、低い燃料圧力での吸気行程噴射は、混合気形成期間が大幅に長くなる。尚、前述したように、多噴口型のインジェクタ67とキャビティ141との組み合わせは、燃料の噴射後、点火プラグ25の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間を短くする結果、混合気形成期間の短縮に有効である。
このように、噴射期間及び混合気形成期間を短縮することは、燃料の噴射タイミング、より正確には、噴射開始タイミングを、比較的遅いタイミングにすることを可能にする。そこで、高圧リタード噴射では、図5の上図に示すように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内に燃料噴射を行う。高い燃料圧力で気筒18内に燃料を噴射することに伴い、その気筒内の乱れが強くなり、気筒18内の乱れエネルギが高まるが、この高い乱れエネルギは、燃料噴射のタイミングが比較的遅いタイミングに設定されることと相俟って、燃焼期間の短縮に有利になる。
すなわち、図6の下段に(D)で示す図のように、燃料噴射をリタード期間内に行った場合、燃料圧力と燃焼期間内での乱流エネルギとの関係は概ね、燃料圧力が低いほど乱流エネルギが低くなり、燃料圧力が高いほど乱流エネルギは高くなる。尚、同図に破線で示す線は、燃料噴射を吸気行程中に行った場合の例である。仮に高い燃料圧力で気筒18内に燃料を噴射するとしても、その噴射タイミングが吸気行程中にある場合は、点火タイミングまでの時間が長いことや、吸気行程後の圧縮行程において気筒18内が圧縮されることに起因して、気筒18内の乱れは減衰してしまう。その結果、吸気行程中に燃料噴射を行った場合、燃焼期間内での乱流エネルギは、燃料圧力の高低に拘わらず比較的低くなってしまう。
図6の下段に(C)で示す図のように、燃焼期間での乱流エネルギと燃焼期間との関係は概ね、乱流エネルギが低いほど燃焼期間が長くなり、乱流エネルギが高いほど燃焼期間が短くなる。従って、図6の(C)(D)から、燃料圧力と燃焼期間との関係は、図6の中段に(3)で示す図のように、燃料圧力が低いほど燃焼期間は長くなり、燃料圧力が高いほど燃焼期間は短くなる。すなわち、高圧リタード噴射は、燃焼期間を短縮する。これに対し、同図に白丸で示すように、従来の、低い燃料圧力での吸気行程噴射は、燃焼期間が長くなる。尚、多噴口型のインジェクタ67は、気筒18内の乱れエネルギの向上に有利であって、燃焼期間の短縮に有効であると共に、その多噴口型のインジェクタ67とキャビティ141との組み合わせによって、燃料噴霧をキャビティ141内に収めることもまた、燃焼期間の短縮に有効である。
図6の(3)の図に示す燃料圧力と燃焼期間との関係から、言い換えると、その曲線形状から、燃料圧力を例えば40MPa以上に設定することによって、燃焼期間を効果的に短縮化することが可能である。また、40MPa以上の燃料圧力は、噴射期間及び混合気形成期間も、それぞれ有効に短縮化することが可能である。尚、燃料圧力は、少なくともガソリンを含有する、使用燃料の性状に応じて適宜設定するのが好ましい。その上限値は、一例として、120MPaとしてもよい。
このように高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間、及び、燃焼期間をそれぞれ短縮し、その結果、図5に示すように、燃料の噴射開始タイミングSOIから燃焼終了時期θendまでの、未燃混合気の反応可能時間を、従来の吸気行程中での燃料噴射の場合と比較して大幅に短くすることを可能にする。この反応可能時間を短縮する結果、図6の上段に示す図のように、従来の低い燃料圧力での吸気行程噴射では、白丸で示すように、燃焼終了時における未燃混合気の反応進行度が、着火しきい値を超えてしまい、異常燃焼が発生してしまうところ、高圧リタード噴射は、黒丸で示すように、燃焼終了時における未燃混合気の反応の進行を抑制し、異常燃焼を回避することが可能になる。尚、図6の上図における白丸と黒丸とで、点火タイミングは互いに同じタイミングに設定している。
高圧リタード噴射は、気筒18内への燃料噴射の形態を工夫することによって異常燃焼を回避する。これとは異なり、異常燃焼の回避を目的として点火タイミングを遅角することが、従来から知られている。点火タイミングの遅角化は、未燃混合気の温度及び圧力の上昇を抑制することによって、その反応の進行を抑制するのである。図7は、点火タイミングと燃焼終了時期における未燃混合気の反応進行度との関係を示している。同図における破線は、従来の吸気行程噴射を行うSI燃焼の場合であり、実線は、高圧リタード噴射を行うSI燃焼の場合である。前述したように、点火タイミングの遅角化は未燃混合気の反応の進行を抑制するため、実線及び破線はそれぞれ右下がりになる。また、高圧リタード噴射は、前述したように、燃料噴射によって未燃混合気の反応の進行を抑制するから、同一の点火タイミングで比較した場合、従来の吸気行程噴射を行うSI燃焼は、高圧リタード噴射を行うSI燃焼よりも、未燃混合気の反応が進行してしまう。つまり、破線は、実線よりも上方に位置することになる。このため、従来の吸気行程噴射を行う場合(白丸)は、高圧リタード噴射を行う場合(黒丸)よりも点火タイミングを遅角しなければ、未燃混合気の反応進行度が着火しきい値を超えてしまうことになる。このことを言い換えると、高圧リタード噴射を行う場合は、従来の吸気行程噴射を行う場合よりも点火タイミングを進角させることが可能である。
また、図8は、点火タイミングと熱効率及びトルクとの関係を示す図である。熱効率及びトルクが最大になる点火タイミングは圧縮上死点付近であり、それよりも点火タイミングが遅角すればするほど熱効率及びトルクは低下する。前述したように、吸気行程噴射を行う場合は、白丸で示すように、点火タイミングを遅くしなければならないのに対し、高圧リタード噴射を行う場合は、黒丸で示すように、点火タイミングを進角させることによって圧縮上死点に近づけることが可能であるから、熱効率及びトルクが向上する。つまり、高圧リタード噴射は、異常燃焼を回避するだけでなく、その回避可能な分だけ、点火タイミングを進角することを可能にして、燃費の向上に有利になる。
ここで、高圧リタード噴射によるSI燃焼の特徴について、図9を参照しながら簡単に説明する。図9(a)は、クランク角に対する熱発生率(dQ/dθ)の変化を示す図、(b)は、クランク角に対する筒内圧力上昇率(dP/dθ)の変化を示す図である。同図における実線は、高圧リタード噴射によるSI燃焼を行った場合を示し、同図における破線は、圧縮着火燃焼(CI燃焼)を行った場合を示している。尚、エンジン1の運転状態は低速域内の高負荷域にある。先ず、CI燃焼は、同図(a)に示すように、燃焼が急峻になって燃焼期間が極めて短くなる。また、同図(b)に示すように筒内圧力のピークが高くなりすぎて許容値を超えてしまい、燃焼騒音の問題が生じる。つまり、このことは、エンジン1の運転状態が低速域内の高負荷域にあるときはCI燃焼を行うことができないことを示している。
これに対し、高圧リタード噴射によるSI燃焼は、同図(a)に示すように、大きな熱発生率と適当な燃焼期間とが確保されて十分なトルクが得られる一方で、同図(b)に示すように筒内圧力のピークは許容値よりも低くなり、燃焼騒音の発生を回避することができる。すなわち、エンジン1の運転状態が低速域内の高負荷域にあるときは、高圧リタード噴射によるSI燃焼が極めて有効である。
次に、図10を参照しながら、エンジン1の運転状態に対応した、吸気弁21及び排気弁22の作動状態、並びに、燃料噴射タイミング及び点火タイミングの制御例について説明する。ここで、図10の(a)(b)(c)(d)はそれぞれ、基本的には、エンジン1の運転状態が低速域内にあり、(a)<(b)<(c)<(d)の順にエンジン負荷が高くなる。(a)(b)は、CIモードに対応する低負荷域であり、(c)は、SIモードに対応する高負荷域である。(d)は、SIモードに対応する全開負荷域である。尚、(d)は、エンジン1の運転領域が、高負荷域内の中速域にある場合にも対応する。
先ず、図10(a)は、エンジン1の運転状態が低速域内の低負荷域にあるときを示す。この運転領域はCIモードであるため、VVL71の制御によって、排気弁22を吸気行程中に開弁する排気の二度開きを行い(同図のEx2の実線を参照。尚、実線は排気弁22のリフトカーブを、破線は吸気弁21のリフトカーブをそれぞれ示す)、そのことによって内部EGRガスを気筒18内に導入する。内部EGRガスの導入は圧縮端温度を高め、圧縮着火燃焼を安定化させる。燃料噴射のタイミングは吸気行程中に設定され、直噴インジェクタ67が気筒18内に燃料を噴射することによって気筒18内に均質なリーン混合気を形成する。尚、燃料噴射量は、エンジン1の負荷に応じて設定される。
図10(b)もまた、エンジン1の運転状態が低速域内の低負荷域にあるときを示す。但し、図10(b)は、同図(a)よりもエンジン負荷が高い。この運転領域もまた、CIモードであるため、前記と同様に、VVL71の制御によって、排気の二度開きを行い、内部EGRガスを気筒18内に導入する。但し、エンジン負荷の上昇に伴い気筒18内の温度が自然と高まることから、過早着火を回避する観点から、内部EGR量は低下させる。図10に例示するように、CVVL73の制御によって、吸気弁21のリフト量を調整することにより、内部EGR量を調整してもよい。尚、図10には図示しないが、スロットル弁36の開度調整によって、内部EGR量を調整してもよい。また、燃料噴射のタイミングは、吸気行程乃至圧縮行程中の適宜のタイミングに設定される。このタイミングで、直噴インジェクタ67が気筒18内に燃料を噴射することにより、気筒18内に均質乃至成層化したリーン混合気を形成する。燃料噴射量がエンジン1の負荷に応じて設定される点は、図10(a)と同様である。
尚、図10(a)(b)においては、吸気行程中における排気弁22の開弁期間を、その吸気行程の前半に設定している例を示している。排気弁22の開弁期間は、吸気行程の後半に設定してもよい。また、開弁期間を吸気行程の前半に設定する場合は、排気上死点を挟んだ排気行程から吸気行程の前半にかけて、排気弁22を開弁したままに構成してもよい。
図10(c)は、エンジン1の運転状態が低速域内の高負荷域にあるときを示す。この運転領域はSIモードであり、この運転領域においては、排気弁22の二度開きを中止する。また、SIモードでは、空燃比λ=1となるように充填量が調整される。充填量の調整は、スロットル弁36を全開にする一方で、VVT72及びCVVL73の制御によって、吸気弁21の閉弁タイミングを吸気下死点以降に設定する、吸気弁21の遅閉じによって行ってもよい。これは、ポンプ損失の低減に有利である。充填量の調整はまた、スロットル弁36を全開にする一方で、EGR弁511の開度調整により、気筒18内に導入する新気量と外部EGRガス量とを調整することによって行ってもよい。これは、ポンプ損失の低減と共に、冷却損失の低減にも有効である。また、外部EGRガスの導入は、異常燃焼の回避に寄与すると共に、Raw NOxの生成を抑制するという利点もある。さらに、充填量の調整として、吸気弁21の遅閉じ制御と、外部EGRの制御とを組み合わせてもよい。特に、高負荷域内における低負荷側においては、EGR率が高すぎてしまうことを抑制すべく、外部EGRを気筒18内に導入しつつ、吸気弁21の遅閉じ制御によって充填量を調整してもよい。
また、燃料噴射の形態は、前述した高圧リタード噴射である。従って、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内に、高い燃料圧力でもって、直噴インジェクタ67が燃料を気筒18内に直接、噴射する。高圧リタード噴射は、一回の噴射によって構成してもよい(つまり、一括噴射)が、図10(c)に示すように、第1噴射と、その後の第2噴射との二回の噴射を、リタード期間内において行うように構成してもよい(つまり、分割噴射)。第1噴射は、相対的に長い混合気形成期間を確保することができるため、燃料の気化霧化に有利である。第1噴射によって十分な混合気形成期間が確保される分、第2噴射の噴射タイミングは、より一層遅角したタイミングに設定することが可能になる。このことは、気筒内の乱れエネルギの向上に有利になり、燃焼期間の短縮に有利になる。分割噴射を行う場合は、第2噴射の燃料噴射量を、第1噴射の燃料噴射量よりも大に設定することが好ましい。こうすることで、気筒18内の乱れエネルギが十分に高まり、燃焼期間の短縮、ひいては異常燃焼の回避に有利になる。尚、こうした分割噴射は、高負荷域内において、燃料噴射量が多くなる相対的に高負荷側でのみ行い、燃料噴射量が比較的少ない、高負荷域内の低負荷側では、一括噴射を行うようにしてもよい。また、分割回数は2回に限定されず、3回以上に設定してもよい。
そうして、SIモードでは、燃料噴射終了後の、圧縮上死点付近において、点火プラグ25による点火が実行される。
図10(d)は、エンジン1の運転状態が低速域内の全開負荷域にあるときを示す。この運転領域は、図10(c)と同様に、SIモードであり、排気弁22の二度開きを中止する。また、全開負荷域であるため、EGR弁511を閉弁することにより、外部EGRも中止する。
燃料噴射の形態は、基本的には高圧リタード噴射であり、図に示すように、第1噴射と第2噴射との、リタード期間内における、気筒18内への二回の噴射によって構成される。尚、高圧リタード噴射は、一括噴射であってもよい。また、この全開負荷域においては、吸気充填効率の向上を目的として、吸気行程中の噴射が追加される場合がある。この吸気行程噴射は、燃料噴射に伴う吸気の冷却効果によって吸気充填効率が向上し、トルクの向上に有利になる。従って、エンジン1の運転状態が低速域内の全開負荷域にあるときは、吸気行程噴射と、第1及び第2噴射との三回の燃料噴射が実行される、又は、吸気行程噴射と、一括噴射との二回の燃料噴射が実行される。
ここで、前述の通り、直噴インジェクタ67によって気筒18内に燃料を直接噴射する高圧リタード噴射は、燃料圧力が極めて高い。そのため、そうした高い燃料圧力でもって、吸気行程中に、気筒18内に直接燃料を噴射してしまうと、気筒18内の壁面に燃料が大量に付着して、オイル希釈等の問題を引き起こす可能性がある。そこで、この吸気行程噴射は、直噴インジェクタ67ではなく、相対的に低い燃料圧力でもって燃料を噴射するポートインジェクタ68を通じて、吸気ポート16内に燃料を噴射する。こうすることで、前述したオイル希釈等の問題が回避される。
また、前述の通り、図10(d)は、エンジン1の運転領域が、高負荷域内の中速域にある場合にも対応する。エンジン1の運転状態が中速域にあるときには、気筒18内の流動が低速域と比較して強くなると共に、クランク角の変化に対する実時間が短くなるから、異常燃焼の回避に有利になる。そのため、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内に行う高圧リタード噴射の噴射量を減じても、異常燃焼を回避し得る。そこで、エンジン1の運転状態が、高負荷域内の中速域にあるときには、高圧リタード噴射の燃料噴射量を減らし、その分を、吸気行程中に噴射する吸気行程噴射に割り振る。こうすることによって、前述と同様に、吸気充填効率が向上する結果、トルク向上に有利になる。従って、エンジン1の運転状態が、高負荷域内の中速域にあるときには、異常燃焼の回避と、トルクの向上とが両立する。尚、エンジン1の運転状態が、低速域内の高負荷域(正確には全開負荷域)にあるときと、高負荷域内の中速域にあるときとを比較した場合、言い換えると、高負荷域内において、低速域と中速域とを比較した場合に、吸気行程噴射の燃料噴射量は、中速域にあるときは、低速域にあるときよりも、増量する場合がある。
図11〜図14は、低速域内における負荷の変動に対するエンジン1の各パラメータ、つまり、(b)スロットル弁36の開度、(c)EGR弁511の開度、(d)排気弁22の二度開きの閉弁タイミング、(e)吸気弁21の開弁タイミング、(f)吸気弁21の閉弁タイミング、及び、(g)吸気弁のリフト量それぞれの制御例を示している。
図11(a)は、気筒18内の状態を示している。同図は、横軸をトルク(言い換えるとエンジン負荷)、縦軸を気筒内の混合気充填量として、気筒内の混合気の構成を示している。前述の通り、相対的に負荷の低い、図の左側の領域はCIモードとなり、所定負荷よりも負荷が高い、図の右側の領域はSIモードとなる。燃料量(総括燃料量)は、CIモード及びSIモードに拘わらず、負荷の増大に従って増量される。この燃料量に対して、理論空燃比(λ=1)となるための新気量が設定されることとなり、この新気量は、負荷の増大に対し、燃料量の増量に伴って増量することになる。
CIモードにおいては、前述の通り、内部EGRガスが気筒18内に導入されることから、充填量の残り分は、内部EGRガスと余剰の新気とによって構成される。従って、CIモードでは、リーン混合気となる。
一方、SIモードにおいてはλ=1となるようにエンジン1が運転されると共に、内部EGRガスの導入が中止される。制御例の一つとして、図11では、SIモードにおける気筒18内への充填量を減らすようにしており、図11では特に、SIモードにおいては、吸気弁21の閉弁タイミングを調整することによって、充填量を制御する。
気筒18内の状態が、図11(a)に示すような状態となるように、スロットル弁36は、同図(b)に示すように、エンジン1の負荷の高低に拘わらず全開に設定され、EGR弁511は、同図(c)に示すように、エンジン1の負荷の高低に拘わらず、全閉に設定される。この制御は、ポンプ損失の低減に有利になる。
図11(d)は、排気弁22の二度開き時の閉弁タイミングを示している。CIモードでは、前述の通り、内部EGRガスを気筒18内に導入すべく、その閉弁タイミングが排気上死点と吸気下死点との間の、所定タイミングに設定される。一方、SIモードでは、その閉弁タイミングが排気上死点に設定される。つまり、SIモードでは、排気の二度開きが中止される結果、内部EGRの制御が中止される。
このように、CIモードにおいて所定の閉弁タイミングに設定される排気弁22の二度開きに対して、図11(e)に示すように、吸気弁21の開弁タイミングが、エンジン1の負荷が高くなるほど排気上死点に近づくように進角される。従って、エンジン1の負荷が低いほど、気筒18内に導入される内部EGRガスが増量するのに対し、エンジン1の負荷が高くなればなるほど、気筒18内に導入される内部EGRガスは減少する。エンジン1の負荷が低いほど、大量の内部EGRガスによって気筒18内の圧縮端温度が高まるため、安定した圧縮着火燃焼を実現する上で有利になる。一方、エンジン1の負荷が高いほど、内部EGRガスを抑制することで気筒18内の圧縮端温度の上昇を抑制するため、過早着火を抑制する上で有利になる。尚、SIモードでは、吸気弁21の開弁タイミングは、排気上死点よりもさらに進角され、その進角量は、エンジン負荷の増大に伴い大きくなる。
一方、図11(f)に示すように、吸気弁21の閉弁タイミングは、CIモードにおいては吸気下死点で一定にされる。一方、SIモードにおいて、吸気弁21の閉弁タイミングは、吸気下死点よりも遅角される。その遅角量は、エンジン1の負荷が相対的に低負荷のときに大になり、相対的に高負荷のときに小になるように、エンジン負荷の増大に伴い、遅角量が次第に小さくなるように設定される。こうしてSIモードでは、吸気弁21の遅閉じ制御によって、充填量を減らしている。尚、吸気弁21の遅閉じ制御に代えて、SIモードにおいてスロットル弁36の開度調整を行うことによって、充填量を減らしてもよい。
さらに、図11(g)に示すように、吸気弁21のリフト量は、CIモードにおいては、エンジン負荷の増大に伴い、最小リフト量から次第に大きくなるのに対し、SIモードにおいては、エンジン負荷の高低に拘わらず、最大リフト量で一定に設定される。
図12は、図11とは別の制御例を示しており、図11と図12とは、CIモードにおける、スロットル弁36の開度(b)、吸気弁21の開弁タイミング(e)、吸気弁21のリフト量(g)の制御が互いに相違する。すなわち、図12に示す制御では先ず、同図(b)に示すように、CIモードにおいてスロットル弁36を絞るようにしており、スロットル弁36の開度は、CIモードにおける低負荷側において小さく、高負荷側において大きくなるように、エンジン負荷の増大に伴い次第に大きくなるように制御される。一方、SIモードにおいて、スロットル弁36は全開にされる。
また、図12(e)に示すように、吸気弁21の開弁タイミングは、CIモードでは、エンジン負荷の高低に拘わらず、排気上死点で一定にされると共に、図12(g)に示すように、吸気弁21のリフト量は、CIモードでは、エンジン負荷の高低に拘わらず、所定のリフト量で一定にされる。このような、スロットル弁36の制御及び吸気弁21の制御の組み合わせによって、CIモードにおいては、スロットル弁36の開度に応じて、気筒18内に導入される内部EGRガス量が調整されることになる。従って、図11(a)と図12(a)とを比較すれば明らかなように、図12に示す制御例においても、気筒18内に充填される混合気の構成は、図11に示す制御例と同じになる。
図13は、図11(及び図12)とは別の制御例を示しており、図11と図13とは、SIモードにおける、EGR弁511の開度(c)、吸気弁21の開弁タイミング(e)、吸気弁21の閉弁タイミング(f)の制御が互いに相違する。つまり、図11(及び図12)では、同図(a)に示すように、SIモードにおいて、吸気弁21の閉弁タイミングを調整することによって、気筒18内への充填量を減らすようにしているのに対し、図13の制御例では、同図(a)に示すように、SIモードにおいて、外部EGRガスを気筒18内に導入するようにしている。
先ず、図13(c)に示すように、EGR弁511は、CIモードでは閉じられたままになるのに対し、SIモードでは開弁される。EGR弁511の開度は、SIモードにおいて低負荷ほど大きく高負荷ほど小さくなるように、エンジン負荷の増大に伴い次第に小さくされる。より正確には、CIモードとSIモードとの切り替わりにおいては全開とされ、全開負荷において全閉とされる。従ってこの制御例では、SIモードにおいても、全開負荷時には外部EGRガスは気筒18内に導入されない。
また、図13(e)に示すように、吸気弁21の開弁タイミングは、SIモードにおいては排気上死点で一定にされ、図13(f)に示すように、吸気弁21の閉弁タイミングは、SIモードにおいて吸気下死点で一定される。従って、SIモードでは、スロットル弁36が全開で一定にされ(図13(b))、吸気弁21の開弁タイミング及び閉弁タイミングが一定にされると共に、リフト量が最大で一定にされる(図13(g))。このことから、EGR弁511の開度調整によって、気筒18内の導入される新気量と、外部EGRガス量との割合が調整されることになる。このような制御は、ポンプ損失の低減に有利である。また、SIモードにおいて、外部EGRガスを気筒18内に導入することは、冷却損失の低減、異常燃焼の回避、及び、Raw NOxの抑制に有利になる。
図14に示す制御例は、CIモードについては図12に示す制御例を、SIモードについては図13に示す制御例を、それぞれ採用して二つの制御例を組み合わせた例である。
次に、図15は、低速域内における負荷の変動に対するエンジン1の各制御パラメータ、すなわち、(b)G/F、(c)噴射タイミング、(d)燃料圧力、(e)燃料噴射パルス幅(つまり、噴射期間)、及び、(f)点火タイミングの変化を示している。
先ず、図11や図12の制御例に従う場合は、気筒内の混合気の状態は、図15(a)に示すような構成となる。このため、G/Fは、図15(b)に示すように、CIモードでは、燃料量の増大に伴いリーンから次第に理論空燃比に近づくようになる。一方、SIモードでは、前述した通り、充填量を低下させているため、G/Fは理論空燃比で一定になる(G/F=14.7)。
図15(c)に示すように、燃料噴射タイミングは、CIモードにおいては、一例として、排気上死点と吸気下死点との間の吸気行程中に設定される。燃料噴射タイミングは、エンジン1の負荷に応じて変更してもよい。これに対し、SIモードにおいては、燃料噴射タイミングは、圧縮行程後半から膨張行程初期にかけてのリタード期間に設定される。つまり、高圧リタード噴射である。また、SIモードでは、エンジン負荷の増大に伴い、その噴射タイミングは次第に遅角側に変更される。これは、エンジン負荷の増大に伴い、気筒18内の圧力及び温度が高まって異常燃焼が発生しやすくなることから、これを効率的に回避するためには、噴射タイミングを遅角側に設定する必要があるためである。ここで、図15(c)の実線は、高圧リタード噴射を一回の燃料噴射によって行う、一括噴射の場合の、燃料噴射タイミングの一例を示している。これに対し、図15(c)の一点鎖線は、高圧リタード噴射を、第1噴射と第2噴射との二回の燃料噴射に分割した場合の、第1噴射及び第2噴射それぞれの燃料噴射タイミングの一例を示している。これによると、分割噴射における第2噴射は、一括噴射を行う場合よりも、遅角側に実行することになるため、異常燃焼の回避により有利になる。これは、前述したように、比較的早期に第1噴射を実行して燃料の気化霧化時間を確保していること、第2噴射の燃料噴射量が相対的少なくなるため、必要な気化霧化時間が短くなること、に起因する。
さらに図15(c)に点線で示すように、全開負荷域においては、総括燃料噴射量が多くなることから、燃料噴射量の増量分を、吸気充填効率の向上を目的として、吸気行程噴射を実行するようにしてもよい。
図15(d)は、直噴インジェクタ67に供給される燃料圧力の変化を示しており、CIモードでは最小燃料圧力で一定に設定される。これに対し、SIモードでは、最小燃料圧力よりも高い燃料圧力に設定されると共に、エンジン負荷の増大に伴い、燃料圧力が増大するように設定される。これは、エンジン負荷が高くなるにつれて異常燃焼が発生しやすくなることから、噴射期間のさらなる短縮や、噴射タイミングのさらなる遅角化が求められるためである。
図15(e)は、一括噴射を行う場合の噴射期間に相当する噴射パルス幅(インジェクタの開弁期間)の変化を示しており、CIモードにおいては、燃料噴射量の増大に伴いパルス幅も大きくなり、SIモードにおいても同様に、燃料噴射量の増大に伴いパルス幅も大きくなる。しかしながら、同図(d)に示すように、SIモードでは、CIモードよりも燃料圧力が大幅に高く設定されているため、SIモードにおける燃料噴射量は、CIモードにおける燃料噴射量よりも多いにも拘わらず、そのパルス幅は、CIモードのパルス幅よりも短く設定される。これは、未燃混合気反応可能時間を短縮し、異常燃焼の回避に有利になる。
また、図15(f)は、点火タイミングの変化を示しており、SIモードでは、燃料噴射タイミングがエンジン負荷の増大と共に遅角されることに従って、点火タイミングもまた、エンジン負荷の増大と共に遅角される。これは、異常燃焼の回避に有利である。また、CIモードでは、基本的には点火を実行しないものの、点火プラグ25のくすぶりを回避する目的で、同図に一点鎖線で示すように、例えば排気上死点付近で点火を行ってもよい。
図16は、図15とは異なり、図13や図14の制御例に従う場合の、(b)G/F、(c)噴射タイミング、(d)燃料圧力、(e)燃料噴射パルス幅、及び、(f)点火タイミングの変化を示している。尚、図15と、図16との比較において、(c)(e)(f)は、互いに同じである。
気筒18内の混合気の状態は、図16(a)に示すような構成となり、SIモードにおいて、外部EGRガスを気筒18内に導入していることから、G/Fは、図16(b)に示すように、CIモードからSIモードにかけて不連続にならずに、エンジン負荷の増大に対して次第に減少することになる。このように、SIモードにおいて外部EGRガスを導入することから、特にエンジン1の運転状態が中負荷域にあるときには、燃焼が緩慢になって燃焼期間が長くなる虞がある。そこで、燃焼期間の短縮を目的に、この制御例では、図16(d)に示すように、図15(d)と比較して(同図の一点鎖線を参照)、燃料圧力がより高く設定される。
次に、図17に示すフローチャートを参照しながら、エンジン1の制御について、さらに詳細に説明する。このフローチャートはPCM10が実行するエンジン1の制御フローである。このフローチャートに従って、エンジン1を制御することによって、負荷の変動(但し、定常)に対するエンジン1の状態が、図11〜16に示すようになり得る。また、このフローには、CIモードとSIモードとの間の移行に係る制御も含まれている。尚、図17に示すフローは、ステップの実行順を限定するものではなく、図17に示すフロー中の、ステップの順番は例示である。従って、ステップの順番を適宜入れ替えたり、複数のステップを同時並列に実行したりすることが可能である。また、図17に示すフローに対して、ステップを適宜省略したり、別のステップを追加したりすることも可能である。
先ず、ステップSA1では、積算AWS実行時間を読み込み、続くステップSA2では、読み込んだAWS実行時間が、所定値以上であるか否かを判定する。AWS(Accelerated Warm-up System)は、エンジン1の始動時に排気ガスの温度を高めてキャタリスト41,42の活性化を早めることで、排気ガスの浄化を促進するシステムである。AWSは、エンジン1の始動後に、予め定められた所定時間だけ実行される。従って、ステップSA2の判定においてNOのとき(つまり、所定値以上でないとき)には、ステップSA3に移行してAWSモードとする。AWSモードでは、基本的には、吸入空気量を増量させると共に、点火プラグ25の点火タイミングを大幅にリタードさせたSI燃焼を実行する。
一方、ステップSA2の判定においてYESのとき(つまり、所定値以上のとき)には、ステップSA4に移行をする。すなわち、AWSは終了して、エンジン1は通常の運転モードに移行する。
ステップSA4において、PCM10は先ず、アクセル開度及びエンジン回転数を読み込み、続くステップSA5において、PCM10は、エアフローセンサ(AFS)SW1によって検出された吸気流量と、筒内圧センサ(CPS)SW6によって検出された筒内圧力と、に基づいて、充填量を算出する。PCM10はまた、ステップSA6において、エンジン水温及び、気筒18内に導入される吸気の温度をそれぞれ読み込む。そうして、アクセル開度、エンジン回転数、充填量、エンジン水温、及び吸気温度に基づいて、CI判定変数Yを算出する。
CI判定変数Yは、アクセル開度の関数i(アクセル開度)、エンジン回転数の関数j(1/回転数)、充填量の関数k(充填量)、エンジン水温の関数l(エンジン水温)、及び、吸気温度の関数m(吸気温度)の各関数に基づいて、例えば以下の式により算出される変数である。
CI判定変数Y
=i(アクセル開度)+j(1/回転数)+k(充填量)+l(エンジン水温)+m(吸気温度)
このCI判定変数Yは、混合気が、圧縮上死点付近において圧縮着火するか否かの指標となる変数である。言い換えると、CI判定変数Yは、エンジン1を、CIモードで運転すべきか、SIモードで運転すべきかを判定する変数である。例えば図18の(a)に示すように、CI判定変数Yが第1しきい値よりも小さいときには、CIモードで運転しようとしたときに失火してしまう可能性が高いため、SIモードにすべきと判定することが可能であり、逆にCI判定変数Yが第2しきい値以上のときには、CIモードで運転しようとしたときに過早着火してしまう可能性が高いため、SIモードにすべきと判定することが可能である。これに対し、CI判定変数Yが、第1しきい値以上、第2しきい値未満のときには、圧縮上死点付近の適切なタイミングで、混合気が圧縮着火するため、CIモードにすべきと判定することが可能になる。このように、CI判定変数Yに基づいてCIモードとSIモードとの切り替えを行うため、単にエンジン負荷の高低のみでモードが決定されるものではない。
図17のフローに戻り、ステップSA7では、燃圧センサSW16が検出した燃料圧力を読み込む。そうして、ステップSA8では、ステップSA6で算出したCI判定変数Yに基づいて、CIモードにすべきか否かを判定し、当該判定がYESのときには、ステップSA9に移行し、エンジン1の運転モードをCIモードにする。一方、その判定がNOのときには、ステップSA16に移行し、エンジン1の運転モードをSIモードにする。
CIモードにおけるステップSA10では、CIモード用の燃料圧力(目標圧力)を、予め設定されかつ、PCM10に記憶されているマップから読み込む。マップは、図18(b)に一例を示すように、エンジン回転数とアクセル開度とに基づいて燃料圧力(Fp)を設定するためのマップであり、エンジン回転数が低くかつアクセル開度が小さいほど、言い換えるとマップの左下にいけばいくほど、燃料圧力は小に設定され、エンジン回転数が高くかつアクセル開度が大きいほど、言い換えるとマップの右上にいけばいくほど、燃料圧力は大に設定される(Fp1<Fp2<Fp3)。尚、図17のフローでは省略するが、PCM10は、目標燃料圧力を設定した後は、実際の燃料圧力が、目標燃料圧力となるように、高圧燃料供給システム62の制御を実行する。
続くステップSA11では、CIモード用の燃料噴射タイミングを、予め設定されかつPCM10に記憶されているマップから読み込む。マップは、図18(c)に一例を示すように、エンジン回転数とアクセル開度とに基づいて噴射タイミング(Inj)を設定するためのマップであり、エンジン回転数が低くかつアクセル開度が大きいほど、言い換えるとマップの左上にいけばいくほど、噴射タイミングは遅角側に設定され、エンジン回転数が高くかつアクセル開度が小さいほど、言い換えるとマップの右下にいけばいくほど、噴射タイミングは進角側に設定される(Inj1<Inj2<Inj3)。
ステップSA12では、ステップSA10で読み込んだCI用目標燃料圧力と現在の燃料圧力との偏差(現在の燃料圧力−CI用目標燃料圧力)を算出し、続くステップSA13では、その燃料圧力の偏差に基づいて、予め設定されかつPCM10に記憶されている特性図から、燃料分割回数を読み込む。特性図は、図18(d)に示すように、現在の燃料圧力の方がCI用目標燃料圧力よりも高くかつ、その偏差が大きい方が、分割回数が多くなるように設定されている。
そうして、ステップSA14では、充填量制御を行う。充填量制御は、図11〜図14を参照しながら説明したように、VVL71を制御することによる排気の二度開き制御を少なくとも含み、それによって、内部EGRガスを気筒18内に導入する。そうして、ステップSA15において、直噴インジェクタ67を通じて、設定した分割数の燃料噴射を、設定したタイミングで、気筒18内に直接噴射する。
このCIモードに対し、SIモードにおけるステップSA17では、SIモード用の燃料圧力(目標圧力)を、予め設定されかつ、PCM10に記憶されているマップから読み込む。マップは、図18(e)に一例を示すように、CI燃焼用の燃料圧力のマップ(同図(b))と同様に、エンジン回転数とアクセル開度とに基づいて燃料圧力(Fp)を設定するためのマップであり、エンジン回転数が低くかつアクセル開度が小さいほど、言い換えるとマップの左下にいけばいくほど、燃料圧力は小に設定され、エンジン回転数が高くかつアクセル開度が大きいほど、言い換えるとマップの右上にいけばいくほど、燃料圧力は大に設定される(Fp4<Fp5<Fp6)。但し、SIモード用の燃料圧力の最低値Fp4は、CIモード用の燃料圧力の最高値Fp3よりも大(Fp4>Fp3)である。このため、SIモード用の燃料圧力は、CIモード用の燃料圧力よりも必ず高くなる。そうして、図17のフローでは省略するが、PCM10は、実際の燃料圧力が目標圧力となるように、高圧燃料供給システム62を制御する。
続くステップSA18では、SIモード用の基本噴射タイミング(Inj)を、予め設定されかつ、PCM10に記憶されているマップから読み込む。マップは、図18(f)に一例を示すように、CI燃焼用の燃料圧力のマップ(同図(b))と同様に、エンジン回転数とアクセル開度とに基づいて噴射タイミング(Inj)を設定するためのマップであり、エンジン回転数が低くかつアクセル開度が大きいほど、言い換えるとマップの左上にいけばいくほど、噴射タイミングは遅角側に設定され、エンジン回転数が高くかつアクセル開度が小さいほど、言い換えるとマップの右下にいけばいくほど、噴射タイミングは進角側に設定される(Inj4<Inj5<Inj6)。但し、SIモード用の基本噴射タイミングの最低値Inj4は、CIモード用の基本噴射タイミングの最高値Inj3よりも大(Inj4>Inj3)であり、Inj4、Inj5、Inj6はそれぞれ、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間に相当する。
ステップSA19では、図18(g)に例示するような、予め設定されかつ、PCM10に記憶されている点火マップから点火タイミングを読み込む。この点火マップは、エンジン回転数とアクセル開度とに基づいて点火タイミング(IG)を設定するためのマップであり、エンジン回転数が低くかつアクセル開度が大きいほど、言い換えるとマップの左上にいけばいくほど、点火タイミングは遅角側に設定され、エンジン回転数が高くかつアクセル開度が小さいほど、言い換えるとマップの右下にいけばいくほど、点火タイミングは進角側に設定される(IG1<IG2<IG3)。尚、ここで設定される点火タイミングは、前述した燃料噴射タイミングよりも後のタイミングに設定される。
ステップSA20では、ステップSA17で読み込んだSI用目標燃料圧力と現在の燃料圧力との偏差(現在の燃料圧力−SI用目標燃料圧力)を算出する。そうして、続くステップSA21では、その燃料圧力の偏差に基づいて、予め設定されかつPCM10に記憶されている特性図から、噴射タイミングの補正値を読み込む。噴射タイミングの補正値は、ステップSA18で設定した基本噴射タイミングを、遅角側に変更するための補正値であり、その特性図は、図18(h)に示すように、現在の燃料圧力の方がSI用目標燃料圧力よりも低くかつ、その偏差が大きい方が、遅角側の補正量が大きくなるように設定されている。つまり、現在の燃料圧力とSI用目標燃料圧力との偏差が大きい方が、噴射タイミングを、より大きく遅角側に変更することになる。また、続くステップSA22では、燃料圧力の偏差に基づいて、予め設定されかつPCM10に記憶されている特性図から、点火タイミングの補正値を読み込む。点火タイミングの補正値は、ステップSA19で設定した基本点火タイミングを、遅角側に変更するための補正値であり、その特性図は、図18(i)に示すように、現在の燃料圧力の方がSI用目標燃料圧力よりも低くかつ、その偏差が大きい方が、遅角側の補正量が大きくなるように設定されている。つまり、噴射タイミングの補正と同様に、現在の燃料圧力とSI用目標燃料圧力との偏差が大きい方が、点火タイミングを、より大きく遅角側に変更することになる。
そうして、ステップSA23で、充填量制御を実行する。充填量制御は、図11〜図14に示すように、空燃比λ=1で運転されるSIモードにおいて、設定された総噴射量に応じて空燃比λ=1とするために実行される制御であり、気筒18内に導入される吸気を絞る制御、気筒18内に外部EGRガスを導入する制御、又は、それら両方を組み合わせた制御を実行する。
ステップSA24では、基本噴射タイミングを、ステップSA21で設定した補正値により補正したタイミングで、燃料噴射を実行する。この燃料噴射は、基本的には(言い換えると、補正値により補正されていないなら)高圧リタード噴射に相当する。従って、この噴射タイミングは、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内であり、直噴インジェクタ67によって気筒18内に燃料が直接噴射される。一方、噴射タイミングが補正されているときは、リタード期間内よりもさらに遅れて燃料が噴射される場合がある。
またステップSA25では、基本点火タイミングを、ステップSA22で設定した補正値により補正したタイミングで、点火プラグ25による点火を実行する。従って、燃料噴射タイミングと同様に、この点火タイミングは基本的には、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内であり、点火タイミングが補正されているときは、リタード期間内よりもさらに遅れて点火される場合がある。
このように、エンジン負荷が増大することに伴い、CIモードからSIモードへと移行したときには、モードの移行に対して、エンジン駆動の高圧燃料ポンプ63による燃料圧力の上昇は遅れるから、SIモードに移行した後の所定の期間は、高圧リタード噴射として設定される燃料圧力(つまり、図18(e)によって設定されるSI用の目標圧力)よりも低い圧力となる。特にモードの移行は、基本的にエンジン負荷の高低に従って行われる場合があり、必ずしもエンジン回転数の高低に従うのではないため、エンジン駆動の燃料ポンプ63を含む高圧燃料供給システム62による燃料圧力の上昇は、エンジン負荷の変化に対し、大きく遅れやすい。そのため、リタード期間内に燃料噴射を行ったとしても、燃料圧力が低いが故に、異常燃焼を回避することができない場合がある。
これに対し、前記の構成では、CIモードからSIモードへの移行の際には、目標燃料圧力と現在の燃料圧力との偏差に応じて、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングをそれぞれ遅角する(ステップSA18、SA19、SA21、SA22)。この噴射タイミング及び点火タイミングのリタードによって、モードの移行の過渡における異常燃焼が回避される。そして、燃料圧力が目標燃料圧力にまで上昇した後は、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングがそれぞれ、SIモードにおいて設定されている噴射タイミング(基本噴射タイミング)及び点火タイミング(基本点火タイミング)に進角される。すなわち、高圧リタード噴射によって異常燃焼を回避しつつ、点火タイミングを進角することによってトルクの向上及び燃費の向上に有利になる。
これとは逆に、エンジン負荷が低下することに伴い、SIモードからCIモードへと移行したときには、モードの移行に対して、高圧燃料供給システム62による燃料圧力の低下は遅れるから、CIモードに移行した後の所定の期間は、燃料圧力(つまり、図18(b)によって設定されるCI用の目標圧力)よりも高い圧力となる。つまり、燃料圧力が高すぎるため、吸気行程乃至圧縮行程において燃料噴射を行うと、気筒18の内壁等に燃料が大量に付着してしまう場合がある。これは、オイル希釈等の問題を引き起こす。
これに対し、前記の構成では、SIモードからCIモードへの移行の際には、目標燃料圧力と現在の燃料圧力との偏差に応じて、燃料の噴射回数を増やす(ステップSA13)。この噴射回数の増加によって、1回の燃料噴射当たりに噴射される燃料量は少なくなるから、燃料圧力が高すぎるときでも、気筒18の内壁等への燃料の付着は抑制される。その結果、オイル希釈等の問題も未然に回避される。そして、燃料圧力が目標燃料圧力にまで低下した後は、燃料の噴射回数は、CIモードにおいて設定されている噴射回数(この例では1回)に設定される。それによって、比較的均質のリーン混合気を形成して、圧縮着火燃焼の安定化に有利になる。
尚、前記の構成では、例えば図11等において明らかなように、CIモードとSIモードとの切り替わりと、排気弁22の二度開き制御の実行、中止とを一致させている。言い換えると、エンジン1の運転状態が、低速域内の低負荷乃至中負荷域にあって圧縮着火燃焼を行うときには必ず、内部EGRガスを気筒18内に導入している。これに対し、エンジン1の運転状態が、低速域内の中負荷域にあるときには、排気弁22の二度開き制御を中止して内部EGRを停止する一方で、CIモードを行うようにしてもよい。すなわち、エンジン1の運転領域が、低速域内の中負荷域にあるときには、内部EGRガスを気筒18内に導入せずに圧縮着火燃焼を行うようにしてもよい。このことを言い換えると、低速域内において、気筒18内の温度が高くなりすぎることを回避したり、必要量の新気を確保したりする観点から、所定負荷(中負荷)で内部EGRを停止する一方、圧縮着火燃焼を行うCIモードは、それよりも高負荷側まで拡大するようにしてもよい。
また、前記の構成では、例えば図18(d)に示すように、CIモードにおける基本の燃料噴射回数を1回に設定しているが、基本の燃料噴射回数を2回以上に設定してもよい。この場合、目標燃料圧力と現在の燃料圧力との偏差に応じて、燃料噴射回数を2回よりもさらに増やすようにしてもよい。
さらに、前記の構成では、CIモードからSIモードへ移行した後の所定の期間において、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングをそれぞれ遅角するようにしているが、そうした噴射タイミング及び点火タイミングの遅角制御を、CIモードからSIモードへ移行する直前から開始し、モードの移行後であって所定の期間の経過後に終了するようにしてもよい。同様に、前記の構成では、SIモードからCIモードへ移行した後の所定の期間において、燃料の噴射回数を増加するようにしているが、そうした噴射回数の増加制御を、SIモードからCIモードへ移行する直前から開始し、モードの移行後であって所定の期間の経過後に終了するようにしてもよい。
加えて、ポートインジェクタ68及び低圧燃料供給システム66は省略し、吸気行程噴射を、直噴インジェクタ67によって行うようにしてもよい。