JP6131839B2 - 圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。

従来より、燃費性能の向上等を目的として、エンジン本体の気筒に形成された燃焼室内で圧縮自着火燃焼を実施することが行われている。

ここで、安定した圧縮自着火燃焼を実現するには、気筒内の混合気の温度を適正に制御する必要がある。

例えば、混合気の温度が高過ぎる場合には、燃焼時の圧力上昇が急峻となる、あるいは、過早着火してしまい、燃焼騒音の増大やノッキング等の異常燃焼が生じる。これに対して、特許文献１には、圧縮自着火燃焼を実施するエンジンであって、混合気の温度が比較的低い低回転低負荷領域においてのみ圧縮自着火燃焼を実施し、それ以外の高回転領域および高負荷領域では火花点火燃焼を実施するものが開示されている。

特開２０１２−１７２６６５号公報

一方、圧縮自着火燃焼を実現するためには、混合気の温度を自着火可能な温度にまで高める必要がある。しかしながら、エンジン負荷が低く供給される燃料量が少ない極低負荷領域では燃焼により生じる熱量が小さいために、混合気の温度が自着火可能な温度にまで上昇せず安定した圧縮自着火燃焼が実現されないおそれがある。特に、エンジン抵抗が小さく構成されており要求されるエンジン負荷に対して必要な燃料量が少ないエンジンでは、前記問題が顕著に生じるおそれがある。これに対して、例えば、極低負荷領域において火花点火燃焼を実施し比較的負荷の高い領域でのみ圧縮自着火燃焼を実施する、あるいは、極低負荷領域での燃焼を停止するすなわち極低負荷領域を設けずに比較的高い負荷をエンジン負荷の最小値として設定するという対策が考えられるが、このようにした場合には、このエンジンを搭載した車両において、無負荷状態からの加速時や無負荷状態への減速時に、燃焼形態の変更、あるいは、負荷の急激な変更に伴い、トルクショックが生じて良好な走行性が得られないという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、エンジン負荷の低い運転領域においても安定した圧縮自着火燃焼を実現することができる圧縮着火式エンジンの制御装置を提供する。

前記課題を解決するために、本発明は、内側に少なくとも燃料と空気とを含む混合気が燃焼する燃焼室が形成された気筒と、当該気筒内に吸気を導入する吸気ポートと、前記気筒内から排気を排出する排気ポートと、前記吸気ポートを開閉可能な吸気弁と、前記排気ポートを開閉可能な排気弁とを有するエンジン本体と、前記混合気の燃焼形態および前記排気弁の開弁状態を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、少なくともエンジン負荷が所定負荷よりも低い低負荷領域では、前記燃焼形態を圧縮自着火燃焼にするとともに、排気行程で前記排気ポートに排出された排気の一部が吸気行程で気筒内に戻されるように、前記排気弁を、少なくとも排気行程と吸気行程とにおいて開弁させ、かつ、前記圧縮自着火燃焼が実施される圧縮自着火領域のうちエンジン負荷が特定負荷以上の高負荷側圧縮自着火領域では、前記排気弁を排気下死点よりも進角側で開弁させる一方、前記圧縮自着火領域のうちエンジン負荷が前記特定負荷未満の低負荷側圧縮自着火領域では、前記排気弁を排気下死点よりも遅角側で開弁させることを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置を提供する（請求項１）。

本発明によれば、圧縮自着火燃焼領域全域において、混合気の温度を適正に高めて安定した圧縮自着火燃焼を実現することができる。

具体的には、本発明では、圧縮自着火燃焼領域において、排気行程で一旦排気ポート側に排出された既燃ガスを吸気行程で気筒内に逆流させているため、気筒内に高温の既燃ガスすなわち内部ＥＧＲガスを確保して混合気の温度を高めることができる。

そして、本発明では、低負荷側圧縮自着火領域すなわち極低負荷領域において、排気弁を排気下死点よりも遅角側で開弁させているので、排気下死点から排気弁が開弁するまでの期間、気筒内の既燃ガス（燃焼後のガス）を圧縮することによるポンピングロスを生じさせることができる。そのため、この極低負荷領域において、要求されるエンジン負荷に対して必要なエンジンの仕事量を前記の既燃ガス圧縮に伴うポンピングロス分増大させることができ、気筒内に供給する燃料量および混合気の発熱量を多くして気筒内の温度および混合気の温度を高め、安定した圧縮自着火燃焼を実現することができる。

しかも、本発明では、エンジン負荷および混合気の温度が比較的高く安定した圧縮自着火燃焼が確保される高負荷側圧縮自着火領域では、排気弁を排気下死点よりも進角側で開弁させているので、この領域では、既燃ガスの圧縮に伴うポンピングロスの発生を回避することができる。

従って、本発明によれば、前記のように低負荷側圧縮自着火領域において圧縮自着火燃焼が実現されることに伴う燃費性能の向上に加えて、この高負荷側圧縮自着火領域においても燃費性能を高めることができ、トータルでの燃費性能を高めることができる。

本発明において、前記制御手段は、前記低負荷側圧縮自着火領域において、エンジン負荷が低いほど前記排気弁の開弁時期を遅角側にするのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、エンジン負荷が低く混合気の温度が低くなりやすい運転条件において、負荷の低下に伴いポンピングロスが増大されるので燃料量および発熱量をより適正に増大させることができる。

また、本発明において、前記制御手段は、前記低負荷側圧縮自着火領域、および、前記高負荷側圧縮自着火領域において、前記排気弁が開弁してから当該排気弁が吸気行程で閉弁するまでの間の期間である前記排気弁の開弁期間を一定に維持しつつエンジン負荷が低いほど当該排気弁の開弁時期を遅角側にするのが好ましい（請求項３）。

このように排気弁の開弁期間を一定に維持しつつエンジン負荷が低いほど排気弁の開弁時期を遅角側にすれば、エンジン負荷が低いほど排気弁の閉弁時期が遅角側となって既燃ガスの逆流量すなわち高温の内部ＥＧＲガス量を増大させることができる。そのため、圧縮自着火燃焼領域全体において、より確実に安定した圧縮自着火燃焼を実現することができる。

ここで、排気弁の開弁時期としては、前記高負荷側圧縮自着火領域のうちエンジン負荷が最も高い運転条件において、排気下死点前１０度クランク角から排気下死点前５０度クランク角の間の所定の角度とするものが挙げられる（請求項４）。

以上説明したように、本発明によれば、エンジン負荷の低い運転領域においても安定した圧縮自着火燃焼を実現することができる。

本発明の実施形態に係るエンジンシステムを示す概略図である。 図１に示すエンジンシステムの制御に係るブロック図である。 図１に示す燃焼室を拡大して示す断面図である。 （ａ）通常モードにおける排気弁のリフト特性を示した図である。（ｂ）特殊モードにおける排気弁のリフト特性を示した図である。 エンジンの運転制御マップを例示する図である。 第２領域における排気弁の開弁状態を示した図である。 第１領域における排気弁の開弁状態を示した図である。 ポンピングロスを説明するための模式的なＰＶ線図である。 ＣＩ燃焼領域におけるエンジン負荷と燃料量との関係を示した図である。 ＣＩ燃焼領域におけるエンジン負荷と排気弁の開弁時期との関係を示した図である。 全運転領域におけるエンジン負荷とＥＧＲ率との関係を示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る圧縮着火式エンジンの制御装置が適用されたエンジンシステム１００の概略構成図である。エンジンシステム１００は、車両に搭載されて、エンジン本体１を有する。

エンジン本体１は、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンであり、４サイクルエンジン、すなわち、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が順に実施されるエンジンである。エンジン本体１は、圧縮自着火燃焼が実施される圧縮着火式エンジンである。エンジン本体１は、気筒１８が設けられたシリンダブロック１１と、シリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２とを有する。エンジン本体１は、例えば、４つの気筒１８を有する。

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と連結されたピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。各気筒１８内には、気筒１８の内側面とピストン１４の頂面とによって囲まれた燃焼室１９が形成されている。

ピストン１４および燃焼室１９の具体的構成は特に限定されないが、例えば、図３に示すような構成を有する。図３に示す例では、ピストン１４の頂面の中央には、シリンダヘッド１２から離間する方向に凹むとともにその深さが中央から径方向外側に向かに従って深くなった後浅くなる、いわゆるリエントラント型のキャビティ１４１が形成されている。

本実施形態では、熱効率の向上や圧縮自着火燃焼の安定化等を目的として、エンジン本体１の幾何学的圧縮比は、１５以上の比較的高い値に設定されている。エンジン本体１の幾何学的圧縮比は、これに限定されるものではないが、１５以上２０以下程度の範囲が好ましい。

シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、気筒１８内に吸気を導入するための吸気ポート１６および気筒１８内から排気を排出するための排気ポート１７がそれぞれ形成されている。吸気ポート１６および排気ポート１７には、これら各ポート、詳細には、シリンダヘッド１２に形成されたこれら各ポート１６，１７の開口をそれぞれ開閉する吸気弁２１および排気弁２２がそれぞれ配設されている。

排気弁２２は、排気弁駆動機構７０ａによって駆動される。排気弁駆動機構７０ａは、排気バルブリフト可変機構（以下、排気ＶＶＬ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｌｉｆｔ）という）７１と、排気位相可変機構（以下、排気ＶＶＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）という）７５とを含む。

排気ＶＶＬ７１は、排気弁２２の作動モードを図４（ａ）の実線で示す通常モードと、図４（ｂ）の実線で示す特殊モードとに切り替える。すなわち、排気弁２２のリフト特性を、図４（ａ）の実線で示す第１特性と、図４（ｂ）の実線で示す第２特性とに切り替える。通常モードでは、排気弁２２のバルブリフトは、開弁後徐々に増大していき、最大リフトに到達すると再び徐々に減少してゼロに至る。特殊モードでは、排気弁２２のバルブリフトは、通常モードと同様に、第１の開弁期間ｔ＿１中は、開弁後徐々に増大し最大リフトに到達した後再び徐々に減少していくが、そのままゼロに至ることなく、そのリフト量すなわち第１の開弁期間ｔ＿１での最大リフトよりも低いリフトを所定期間維持した後ゼロに至る。このように、特殊モードでは、排気弁２２の開弁期間すなわち排気弁２２が開弁してから最終的に（本実施形態では吸気行程中に）閉弁するまでの間の期間ｔ＿３は、所定の最大リフトとなる第１の開弁期間ｔ＿１と、この第１の開弁期間ｔ＿１に継続して最大リフトが第１の開弁期間ｔ＿１における最大リフトよりも小さくなるよう構成された第２の開弁期間ｔ＿２とからなる。特殊モードでは、通常モードにおける閉弁時期の直前から通常モードにおける閉弁時期よりも遅角側の所定タイミングまで開弁しており、排気弁の開弁期間は通常モードよりも特殊モードの方が長くなっている。排気ＶＶＬ７１は、これらのモードを実現するために、カム形状が互いに異なる第１カムと第２カムとを有する。第１カムは、図４（ａ）の実線で示すリフト特性に対応した形状を有し、カム山を１つ有する。第２カムは、図４（ｂ）の破線で示すリフト特性に対応した形状を有し、カム山を２つ有する。排気ＶＶＬ７１は、第１カムと第２カムの作動状態を選択的に排気弁２２に伝達するロストモーション機構を含んでおり、第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達することで排気弁２２の作動状態を通常モードとし、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達することで排気弁２２の作動状態を特殊モードとする。排気ＶＶＬ７１は、例えば油圧作動式である。なお、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達させた場合には、排気弁２２のリフト特性は、図４（ａ）の破線で示す形状となる。

排気ＶＶＴ７５は、クランクシャフト１５に対する排気カムシャフトの回転位相を変更して排気弁２２の開弁時期と閉弁時期とを変更する。なお、排気弁ＶＶＴ７５は、通常モードおよび特殊モードの各モードで、それぞれ排気弁２２の開弁期間を一定に維持したまま、排気弁２２の開弁時期と閉弁時期とを変更する。排気ＶＶＴ７５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説明は省略する。

排気ＶＶＴ７５は、排気弁２２の作動状態が特殊モードとされている場合、排気弁２２が排気行程に加えて吸気行程でも開弁するように、排気カムシャフトの回転位相を設定する。また、排気ＶＶＴ７５は、排気弁２２の作動状態が特殊モードとされている場合、第２の開弁期間ｔ＿２中に吸気上死点がくるように、すなわち吸気上死点における排気弁２２のバルブリフトが第２の開弁期間ｔ＿２中に実現される比較的小さい値となるように、排気カムシャフトの回転位相を設定する。このように、本実施形態では、排気弁２２の作動状態が特殊モードとされることで、排気弁２２が排気行程に加えて吸気行程中にも開弁する排気二度開きが実施される。特に、本実施形態では、排気弁２２は、途中で閉弁することなく吸気上死点を挟んで排気行程と吸気行程において連続して開弁する。ここで、このように排気弁２２を吸気上死点を挟んで連続して開弁させた場合には、排気弁２２とピストン１４とが干渉するおそれがある。これに対して、本実施形態では、前述のように、吸気上死点付近での排気弁２２のバルブリフト量が小さい値に抑えられるため、排気弁２２とピストン１４との干渉を回避することができる。排気二度開きすなわち特殊モードは、高温の既燃ガスすなわち内部ＥＧＲガスを燃焼室１９内に残留させていわゆる内部ＥＧＲを行うために実施される。具体的には、排気二度開きが実施されて吸気行程中にも排気弁２２が開弁していると、排気行程で一旦排気ポート１７に排出された排気が吸気行程中に燃焼室１９内に逆流して排気すなわち高温の既燃ガスが燃焼室１９内に残留する。

吸気弁２２は、吸気弁駆動機構７０ｂによって駆動される。吸気弁駆動機構７０ｂは、排気弁駆動機構７０ａと同様に、吸気弁２１の作動モードを２モードで切り替える吸気ＶＶＬ７４と、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して吸気弁２１の開弁時期と閉弁時期とを変更する吸気ＶＶＴ７２とを含む。

吸気ＶＶＬ７４は、吸気弁２１のバルブリフトを相対的に大きくする大リフトカムと、吸気弁２１のバルブリフトを相対的に小さくする小リフトカムと、これらカムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に吸気弁２１に伝達するロストモーション機構とを含む。吸気ＶＶＬ７４は、大リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達することで、吸気弁２１の作動モードを、バルブリフトおよび開弁期間が相対的に大きいモードにする。吸気ＶＶＬ７４は、小リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達することで、吸気弁２１の作動モードを、バルブリフトおよび開弁期間が相対的に小さいモードにする。大リフトカムと小リフトカムとは、閉弁時期又は開弁時期を同じにして切り替わるように設定されている。

吸気ＶＶＴ７２は、排気ＶＶＴ７５と同様に、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。

各吸気ポート１６には、吸気通路３０が接続されている。具体的には、吸気通路３０の下流端には気筒１８に対応して分岐する分岐通路が形成されており、これら分岐通路と各吸気ポート１６とが接続されている。

吸気通路３０には、その上流側から順に、エアクリーナ３１、水冷式のインタークーラ／ウォーマ３４、スロットル弁３６、サージタンク３３が配設されている。

吸気通路３０には、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が接続されている。インタークーラバイパス通路３５には、気筒１８内に流入する新気の温度を調整するためにインタークーラバイパス通路３５を通過する空気流量を調整するインタークーラバイパス弁３５１が配設されている。なお、インタークーラ／ウォーマ３４及びそれに付随する部材は、省略してもよい。

各排気ポート１７には排気通路４０が接続されている。具体的には、吸気通路３０と同様に、排気通路４０の上流端には気筒１８に対応して分岐する分岐通路が形成されており、これら分岐通路と各吸気ポート１８とが接続されている。

排気通路４０には、排ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置が配設されている。本実施形態では、上流側から順に直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とが設けられている。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、例えば三元触媒を含む。

吸気通路３０と排気通路４０との間には、排気の一部を吸気に還流するため、すなわち、外部ＥＧＲを行うためのＥＧＲ装置５０が設けられている。ＥＧＲ装置５０は、ＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲクーラ５２と、ＥＧＲクーラバイパス通路５３とを含む。ＥＧＲ通路５１は、吸気通路３０のうちのサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分と、排気通路４０のうちの直キャタリスト４１よりも上流側の部分とを接続している。ＥＧＲクーラ５２は、ＥＧＲ通路５１を通過するガスを冷却するためのものであり、ＥＧＲ通路５１に介設されている。ＥＧＲクーラバイパス通路５３は、ＥＧＲクーラ５２をバイパスする通路であり、ＥＧＲ通路５１のうちＥＧＲクーラ５２の上下流部分を接続している。ＥＧＲ通路５１およびＥＧＲクーラバイパス通路５３には、それぞれ、各通路５１、５３を通過する排気の流量を調整するＥＧＲ弁５１１、ＥＧＲクーラバイパス弁５３１が配設されている。以下、このＥＧＲ装置５０を用いて排気の一部を吸気に還流することを、外部ＥＧＲを行うといい、このＥＧＲ装置５０により吸気に還流された排気を外部ＥＧＲガスという場合がある。

シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、燃焼室１９内に燃料を直接噴射するインジェクタ６７が取り付けられている。インジェクタ６７は、図３に示すように、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おり、キャビティ１４１と相対している。本実施形態では、インジェクタ６７は、複数の噴口を有する多噴口型である。インジェクタ６７から噴射された燃料噴霧は、燃焼室１９の中心位置から放射状に広がる。

ここで、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングでインジェクタ６７から燃料が噴射された場合には、図３の矢印に示すように、燃料噴霧はキャビティ１４１の壁面に沿って流動する。そのため、本エンジンシステム１００では、後述する高圧リタード噴射を行った際に、燃料噴霧をより早期に拡散させて早期に混合気を形成することができる。

インジェクタ６７には、燃料供給システム６２により燃料タンク（不図示）から燃料が供給される。燃料供給システム６２は、燃料ポンプ６３と蓄圧レール６４とを含む。燃料ポンプ６３は、燃料タンクから蓄圧レール６４に燃料を圧送する。本実施形態では、燃料ポンプ６３は、エンジン１によって駆動されるプランジャー式のポンプである。蓄圧レール６４は圧送された燃料を比較的高い圧力で蓄える。インジェクタ６７は、蓄圧レール６４に蓄えられている高圧の燃料を燃焼室１９内に噴射する。噴射圧の値は特に限定されるものではないが、例えば、３０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下に設定されている。

シリンダヘッド１２には、燃焼室１９内の混合気に強制点火する点火プラグ２５が取り付けられている。本実施形態では、点火プラグ２５は、エンジン本体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、圧縮上死点に位置するピストン１４のキャビティ１４１内に臨んでいる。

前記各装置は、パワートレイン・コントロール・モジュール（制御手段、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。

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。

センサＳＷ１は、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１である。センサＳＷ２は、新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２である。エアフローセンサＳＷ１、吸気温度センサＳＷ２は、吸気通路２０のうちエアクリーナ３１の下流側に配設されている。センサＳＷ３は、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であり、インタークーラ／ウォーマ３４の下流側に配置されている。センサＳＷ４は、外部ＥＧＲガスの温度を検出するためのＥＧＲガス温センサＳＷ４であり、ＥＧＲ通路５０のうち吸気通路３０との接続部分近傍に配置されている。センサＳＷ５は、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であり、吸気ポート１６に取り付けられている。センサＳＷ６は、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６であり、シリンダヘッド１２に取り付けられている。センサＳＷ７は、排気温度を検出する排気温センサＳＷ７である。センサＳＷ８は、排気圧を検出する排気圧センサＳＷ８である。排気温センサＳＷ７、排気圧センサＳＷ８は、排気通路４０のうちＥＧＲ通路５０の接続部分近傍に配置されている。センサＳＷ９は、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ_２センサＳＷ９であり、排気通路４０のうち直キャタリスト４１の上流側に配置されている。センサＳＷ１０は、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ_２センサＳＷ１０であり、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置されている。センサＳＷ１１は、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１である。センサＳＷ１２は、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である。センサＳＷ１３は、車両のアクセルペダル（図示略）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である。センサＳＷ１４、センサＳＷ１５は、それぞれ吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４，ＳＷ１５である。センサＳＷ１６は、インジェクタ６７に供給される燃料の圧力を検出する燃圧センサＳＷ１６であり、コモンレール６４に取り付けられている。

ＰＣＭ１０は、各センサＳＷ１〜１６の検出信号に基づいて種々の演算を行う。ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいてエンジン本体１や車両の運転条件を判定する。ＰＣＭ１０は、運転条件に応じてインジェクタ６７、点火プラグ２５、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、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して、これらを制御する。ＰＣＭ１０は、運転条件に応じて、吸気ＶＶＴ７２、吸気ＶＶＬ７４、排気ＶＶＴ７５、排気ＶＶＬ７１へ制御信号を出力して、これらおよび吸気弁２１、排気弁２２を制御する。

図５は、横軸がエンジンの回転数、縦軸がエンジン負荷の制御マップを示している。前述のように、エンジン本体１では、点火プラグ２５による点火を行わずに混合気を自着火させて燃焼させる圧縮自着火燃焼が実施される。ただし、エンジン負荷が高い運転領域において圧縮自着火燃焼を実施した場合には、混合気の温度が高いために燃焼が急峻になり燃焼騒音等の問題が生じる。そのため、本実施形態に係るエンジンシステム１００では、エンジン負荷が所定の第３負荷Ｔ３未満の低負荷領域でのみ圧縮自着火燃焼を実施し、エンジン負荷が第３負荷Ｔ３以上の高負荷領域では点火プラグ２５により混合気を強制点火する火花点火燃焼を実施する。すなわち、このエンジンシステム１００では、低負荷領域がＣＩ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼領域に設定され、高負荷領域がＳＩ（Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼領域に設定されている。なお、これら燃焼領域の境界線は、図例に限定されるものではない。

ＣＩ燃焼領域は、さらに、エンジン負荷の高低に応じて３つの領域に分けられている。以下に、各領域の詳細な制御内容について説明する。

（１）第２領域（高負荷側圧縮自着火領域）
ＣＩ燃料領域のうちエンジン負荷が所定の第１負荷Ｔ１以上かつ第２負荷Ｔ２未満となる領域に設定された第２領域Ａ２では、外部ＥＧＲは実施されず内部ＥＧＲのみが実施される。すなわち、第２領域Ａ２では、ＥＧＲ弁５１１およびＥＧＲクーラバイパス弁５３１は閉弁される一方、排気ＶＶＬ７１により排気弁２２の作動状態が特殊モードとされて、排気二度開きが実施される。そして、第２領域Ａ２では、図６に示すように、排気ＶＶＴ７５により、排気弁２２の開弁時期ＥＶＯは、排気下死点ＢＤＣよりも進角側にされる。図６において、実線ＥＸは排気弁２２のバルブリフトを示しており、破線ＩＮは吸気弁２１のバルブリフトを示している。また、第２領域Ａ２では、吸気行程中にインジェクタ６７により噴射が行われる吸気行程噴射が実施される。第１負荷Ｔ１は、全エンジン回転数において一定の値に設定されている。一方、第２負荷Ｔ２は、エンジン回転数に応じて異なる値に設定されており、第３負荷Ｔ２からエンジン回転数が高くなるに従って低くなるよう設定されている。

第２領域Ａ２で前記の制御を行うのは次の理由による。

前述のように、エンジン負荷が高い場合には燃焼室１９内および混合気の温度が高いために圧縮自着火燃焼を行うと燃焼騒音等の問題が生じる。そのため、燃焼騒音等を回避するためには燃焼室１９内の温度は低い方が好ましい。一方、燃焼室１９内の温度が低すぎる場合には、今度は、混合気の温度が自着火可能な温度にまで上昇せず、失火等が発生して、安定した圧縮自着火燃焼を実現できないという問題が生じる。

そこで、エンジン負荷が第２負荷Ｔ２未満の比較的低い負荷であって混合気の発熱量が小さく、この発熱量だけでは燃焼室１９内および混合気の温度を十分に高められない第２領域Ａ２では、失火等を回避するべく、内部ＥＧＲを実施して高温の既燃ガス（内部ＥＧＲガス）を燃焼室１９内に残留させ、これにより燃焼室１９内および混合気の温度を高めている。

また、排気弁２２を排気下死点ＢＤＣより遅角側で開弁させた場合には、排気下死点ＢＤＣから排気弁２２の開弁時期ＥＶＯまでの間、既燃ガスが圧縮されることになり、ポンピングロスが増大する。

そこで、第２領域では、ポンピングロスの増大を回避して効率を高めるべく、排気弁２２を排気下死点ＢＤＣよりも進角側で開弁させる。

また、空気と燃料との混合が十分になされていれば混合気を適切にすなわち排気性能および熱効率の高い状態で自着火させることができる。そして、第２領域では、混合気の温度がそれほど高くないため、混合気が過早着火するおそれがない。

そこで、第２領域では、燃料を吸気行程中に噴射して予め空気と混合させておくことで圧縮上死点近傍において適切に自着火させる。

（２）第１領域（低負荷側圧縮自着火領域）
ＣＩ燃料領域のうちエンジン負荷が第１負荷Ｔ１未満となる極低負荷領域に設定された第１領域Ａ１では、第２領域と同様に、外部ＥＧＲは実施されず、排気二度開きによる内部ＥＧＲのみが実施されるとともに、吸気行程噴射が実施される。一方、第１領域Ａ１では、図７に示すように、排気ＶＶＴ７５により、排気弁２２の開弁時期ＥＶＯは、排気下死点ＢＤＣよりも遅角側に設定される。図７において、実線ＥＸは排気弁２２のバルブリフトを示しており、破線ＩＮは吸気弁２１のバルブリフトを示している。

また、第１領域Ａ１では、吸気行程中にインジェクタ６７により噴射が行われる吸気行程噴射が実施される。

第１領域Ａ１で前記の制御を行うのは次の理由による。

第１領域Ａ１も、第２領域Ａ２と同様に、混合気の発熱量が小さく、この発熱量だけでは燃焼室１９内の温度が十分に高められない。そのため、第１領域Ａ１でも、失火等を回避するべく、前記のように、内部ＥＧＲを実施して高温の既燃ガス（内部ＥＧＲガス）を燃焼室１９内に残留させ、これにより燃焼室１９内および混合気の温度を高めている。

しかしながら、第２領域Ａ２よりもエンジン負荷が低い極低負荷領域である第１領域Ａ１では、発熱量が小さいために生成される既燃ガスすなわち内部ＥＧＲガスの温度も低い。そのため、第１領域Ａ１では、内部ＥＧＲを実施しても燃焼室１９内の温度を十分に高めることができない。

ここで、ポンピングロスを増大させれば、増大したポンピングロス分燃焼室１９に噴射する燃料量を増大させることができる。そして、この燃料量の増大に伴って混合気の発熱量および混合気の温度を高めることができ、混合気の着火性を高めて失火等を回避することができる。

そこで、第１領域Ａ１では、混合気の温度を高めるべく、第２領域Ａ２と異なり、排気弁２２を排気下死点よりも遅角側で開弁させてポンピングロスを増大させ、この増大したポンピングロス分燃料量を増大させる。

具体的には、前述のように、排気弁２２を排気下死点ＢＤＣより遅角側で開弁させた場合には、排気下死点ＢＤＣからこの開弁時期までの間、既燃ガスが圧縮されることになり、ポンピングロスが増大する。すなわち、図８の模式的なＰＶ線図に示されるように、排気弁２２の閉弁時期ＥＶＯを排気下死点ＢＤＣよりも遅角側に設定した場合には、閉弁時期ＥＶＯを排気下死点ＢＤＣに設定した場合に対して、斜線で示した分ポンピングロスが増大する。ポンピングロスが増大すれば、エンジン負荷すなわち要求されるエンジン出力に対して、燃料量を増大させることができる。そして、燃料量が増大すれば、混合気中の燃料割合が増大することにより混合気の着火性が向上するとともに、発熱量が増大することにより直接的および内部ＥＧＲガスの高温化を介して燃焼室１９内の温度を高めて、混合気の着火性を高めることができる。

従って、第１領域Ａ１では、混合気の着火性を高めて安定した圧縮自着火燃焼を実現するべく、排気弁２２の閉弁時期ＥＶＯを排気下死点ＢＤＣよりも遅角側に設定してポンピングロスを増大させ、これに合わせて燃料量を増大させる（ポンピングロスを増大させない場合よりも燃料量を増大させる）。

また、前述のように、本実施形態では、排気弁２２の開弁期間は、同一モードにおいて一定に維持される。そのため、前記のように排気弁２２の開弁時期ＥＶＯが遅角側とされると、排気弁２２の閉弁時期ＥＶＣも遅角側となる。排気二度開きにおいて、排気弁２２の閉弁時期ＥＶＣがより遅角側となると、吸気行程中で排気弁２２が開弁している期間が長くなり燃焼室１９に逆流する既燃ガスすなわち内部ＥＧＲガス量が増大する。そのため、前記のように、第１領域Ａ１において、排気弁２２をより遅角側で開弁および閉弁させれば、内部ＥＧＲ量を増大させ、これにより燃焼室１９内の温度を高めることもできる。

エンジン負荷と燃料量との関係を図９に示す。図９に示すように、全負荷領域において燃料量はエンジン負荷の減少に伴い減少していくが、第１負荷Ｔ１以下の第１領域Ａ１では、エンジン負荷の変化に対する燃料量の減少割合が小さく、エンジン負荷に対して相対的に多くの燃料量を噴射している。図９の実線は、実際に噴射される燃料量を示しており、図９の波線は、第１負荷Ｔ１以上の領域におけるエンジン負荷と燃料量との関係を仮に第１負荷Ｔ１以下の領域に適用した場合のエンジン負荷と燃料量との関係を示している。

なお、第１領域Ａ１で吸気行程中に噴射を行うのは、第２領域Ａ２で吸気行程中に噴射を行うと同様の理由からである。

（３）第３領域Ａ３（高負荷側圧縮自着火領域）
ＣＩ燃料領域のうちエンジン負荷が第２負荷Ｔ２以上となる比較的エンジン負荷の高い領域に設定された第３領域Ａ３では、排気二度開きによる内部ＥＧＲに加えて外部ＥＧＲが実施される。第３領域Ａ３では、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２に比べて内部ＥＧＲガス量が少なくされるとともに、ＥＧＲクーラ５２を通過することによって冷却された排ガスすなわちクールドＥＧＲガスが燃焼室１９内に導入される。すなわち、第３領域Ａ３では、ＥＧＲクーラバイパス弁５３１は閉弁され、ＥＧＲ弁５１１が開弁される。第３領域Ａ３では、第２領域と同様に、排気ＶＶＴ７５により、排気弁２２の開弁時期ＥＶＯが排気下死点ＢＤＣよりも進角側に設定される。一方、第３領域Ａ３では、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２と異なり、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間にインジェクタ６７により燃焼室１９内に噴射が行われる高圧リタード噴射が実施される。

第３領域Ａ３で前記の制御を行うのは次の理由による。

前述のように、エンジン負荷が高い場合には、燃焼室１９内の温度が高いために圧縮自着火燃焼を行うと燃焼騒音等の問題が生じる。そのため、燃焼騒音等を回避するためには燃焼室１９内の温度は低い方が好ましい。

そこで、エンジン負荷が第２負荷Ｔ２以上の比較的高い負荷であって、燃焼室１９内の温度が高くなりやすい第３領域Ａ３では、燃焼騒音等の問題を回避するべく、前記のように、高温の内部ＥＧＲガス量が少なく抑えられるとともに、クールドＥＧＲガスが燃焼室１９内に導入されて、これにより燃焼室１９内の温度が適正な温度に抑えられる。

また、燃焼室１９内の温度が高い場合において、吸気行程中に燃料を噴射した場合には、過早着火するおそれがある。

そこで、第３領域Ａ３では、過早着火を回避するべく、前記のようにＥＧＲにより燃焼室１９内の温度を適正に制御するとともに、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２と異なり、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間に燃料を噴射して、膨張行程期間での燃焼を実現するとともに、均質な混合気を比較的短時間で形成するべく、燃料を比較的高圧で噴射する。

なお、第３領域Ａ３で排気弁２２を排気下死点よりも進角側で開弁させるのは、第２領域Ａ２の場合と同様の理由、すなわち、ポンピングロスを低減するためである。

（排気弁２２の閉弁時期ＥＶＯのエンジン負荷方向の変化について）
前記のように、本エンジンシステム１００では、圧縮自着火燃焼が実施されるＣＩ領域全域において排気二度開きによる内部ＥＧＲが実施される一方、排気弁２２の開弁時期ＥＶＯが、第１領域Ａ１すなわち極低負荷領域では排気下死点ＢＤＣよりも遅角側に設定され、それ以外の領域では排気下死点ＢＤＣよりも進角側に設定される。

排気弁２２の開弁時期ＥＶＯは、前記設定を維持しつつ、ＣＩ領域全域において、エンジン負荷が減少するほど遅角される。例えば、図１０に示されるように、排気弁２２の開弁時期ＥＶＯは、エンジン負荷に対する変化量が一定となるように、エンジン負荷の減少に伴い遅角される。前述のとおり、本実施形態では、排気弁２２の開弁期間は、同一モードにおいて一定に維持されており、排気弁２２の開弁時期ＥＶＯが遅角側とされると排気弁２２の閉弁時期ＥＶＣも遅角側となる。そして、排気二度開きにおいて、排気弁２２の閉弁時期ＥＶＣがより遅角側となると、吸気行程中で排気弁２２が開弁している期間が長くなり燃焼室１９に逆流する既燃ガスすなわち内部ＥＧＲガス量が増大する。そのため、このように、ＣＩ領域全域において、排気弁２２の開弁時期ＥＶＯおよび閉弁時期ＥＶＣが、エンジン負荷が低くなるほど遅角されれば、エンジン負荷が低くなるほど内部ＥＧＲ量を増大させることができる。そのため、内部ＥＧＲ量をエンジン負荷および混合気温度に合った適正な量導入することができ、ＣＩ領域全域において、燃焼室１９内の温度を適正に高めることができる。

ここで、排気弁２２の開弁時期ＥＶＯが排気下死点ＢＤＣよりも過剰に進角側に設定されていると、膨張仕事を十分に得ることができない。そのため、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３において、排気弁２２の開弁時期ＥＶＯは、排気下死点前１０〜５０°ＣＡさらには３０〜４０°ＣＡよりも遅角側に設定されているのが好ましい。本実施形態では、第３領域Ａ３のエンジン負荷が最大となる運転条件における排気弁２２の開弁時期ＥＶＯが、排気下死点前３０°ＣＡに設定されている。そして、圧縮自着火領域全域において、排気弁２２の開弁時期ＥＶＯは、エンジン負荷が低下するに従ってこの排気下死点前３０°ＣＡから徐々に進角される。なお、排気弁の開弁時期ＥＶＯは、例えば、第１領域Ａ１のエンジン負荷が最小となる運転条件において、排気下死点後１２０〜１６０°ＣＡ程度に設定される。

そして、このように、排気弁２２の開弁時期ＥＶＯが、エンジン負荷が増大するほど進角されることで、本エンジンシステム１００では、混合気の全体量に対する内部ＥＧＲガス量の割合である内部ＥＧＲ率は、ＣＩ領域全域において、エンジン負荷が増大するほど小さくなる。内部ＥＧＲ率は、エンジン負荷に対して、例えば、図１１に示されるように、変化する。すなわち、第３領域Ａ３ではエンジン負荷の低下に対して比較的大きい割合で内部ＥＧＲ率は増大していき、第２領域Ａ１ではエンジン負荷の低下に対して比較的小さい割合で内部ＥＧＲ率は増大していき、第１領域Ａ１ではエンジン負荷の低下に対してより小さい割合で内部ＥＧＲ率は増大していく。内部ＥＧＲ率の具体的な値は限定されるものではないが、例えば、最大値が５０〜８０％となるように設定される。また、本実施形態では、第３領域Ａ３において、外部ＥＧＲは、外部ＥＧＲと内部ＥＧＲとを合わせた全ＥＧＲガスの混合気中の割合すなわちＥＧＲ率が、第２領域Ａ２と第３領域Ａ３とを合わせた領域において、エンジン負荷の増大に伴って減少するよう設定されている。

（４）ＳＩ燃焼領域
ＳＩ燃焼領域での具体的制御内容は特に限定されるものではないが、このエンジンシステム１００では、ＳＩ燃焼領域では、過早着火やノッキングといった異常燃焼の回避、ＮＯｘ生成の抑制および冷却損失の低減を目的として、高圧リタード噴射が実施され、内部ＥＧＲが停止される一方クールドＥＧＲガスを燃焼室１９内に導入する外部ＥＧＲが実施される。また、ＳＩ燃焼領域では、ポンプ損失を低減するべく、スロットル弁３６は全開とされて、ＥＧＲ弁５１１の開度を調整することで気筒１８内に導入する新気量が調整される。図９に示すように、外部ＥＧＲ率は、ＳＩ燃焼領域において、エンジン負荷が高くなるほど小さくされるとともに最大負荷において外部ＥＧＲ率が０となり外部ＥＧＲが停止されるように設定されている。さらに、外部ＥＧＲ率は、内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとを含む全ＥＧＲ率が、第３領域Ａ３とＳＩ燃焼領域とにわたってエンジン負荷の増加に対するＥＧＲ率の低下割合が一定となるように設定されている。

また、吸気弁２１は、内部ＥＧＲ率が前記のように実現されるように制御されればよく、その制御内容は特に限定されるものではないが、例えば、吸気ＶＶＬ５４により、ＣＩ燃焼領域では小リフトとされ、ＳＩ燃焼領域では大リフトとされる。

以上のように、本エンジンシステム１００では、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３において排気弁２２の開弁時期ＥＶＯを排気下死点ＢＤＣよりも進角側で開弁させつつ、極低負荷領域である第１領域Ａ１において、排気弁２２を排気下死点ＢＤＣよりも遅角側で開弁させている。そのため、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３において、既燃ガスの圧縮に伴うポンピングロスの発生を回避して燃費性能を高めつつ圧縮自着火燃焼を実現することができるとともに、内部ＥＧＲの導入だけでは混合気の温度を十分に高めることができない極低負荷領域である第１領域Ａ１において、既燃ガスの圧縮に伴うポンピングロスを増大させ、これにより、燃料量を増大させて気筒内の温度を高めて安定した圧縮自着火燃焼を実現することができ、エンジンシステム全体として燃費性能を高めることができる。また、極低負荷領域のみＳＩ燃焼を行う場合や、極低負荷領域を省略する、すなわち、第２負荷領域からエンジン負荷を設定する場合には、無負荷状態からの加速時や無負荷状態への減速時に、燃焼形態の変更、あるいは、負荷の急激な変更に伴い、トルクショックが生じるおそれがあるが、本エンジンシステム１００では、前記のように極低負荷領域でも安定した圧縮自着火燃焼を実現することができ、トルクショックを回避して良好な走行性を得ることができる。

特に、第１領域Ａ１において、エンジン負荷が低くなるほど排気弁ＥＶＯの開弁時期を遅角側にしている。そのため、エンジン負荷の低下に伴う混合気の温度の低下に応じてポンピングロスをより増大させて混合気の上昇量を高めており、第１領域Ａ１全体でより確実に安定した圧縮自着火燃焼を実現することができる。

また、圧縮自着火領域全域において、排気弁２２を少なくとも排気行程と吸気行程とで開弁させる排気二度開きを行っており、圧縮自着火領域全域において内部ＥＧＲガスを確保して混合気の温度を高めることができるとともに、排気弁２２の開弁期間を一定に維持しつつエンジン負荷が低いほど排気弁２２の開弁時期を遅角側にしているため、エンジン負荷が低いほど排気弁の閉弁時期を遅角側として既燃ガスの逆流量すなわち高温の内部ＥＧＲガス量を増大させることができ、圧縮自着火燃焼領域全体において、より確実に混合気の温度を適正に高めて安定した圧縮自着火燃焼を実現することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、吸気行程中に燃料を噴射する場合において、気筒１８内に設けたインジェクタ６７ではなく、別途、吸気ポート１６に設けたポートインジェクタにより、吸気ポート１６内に燃料を噴射してもよい。

また、排気弁２２の特殊モードとして、吸気圧縮上死点付近で排気弁２２が一端閉弁し、その直後に排気弁２２が開弁するよう構成されたものを適用してもよい。なお、この場合における、前記排気弁２２の開弁期間は、排気弁が最初に開弁してから最終的に吸気行程で閉弁するまでの期間となる。

また、エンジン１の動弁系に関し、吸気弁２１のＶＶＬ７４に代えて、リフト量を連続的に変更可能なＣＶＶＬ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｌｉｆｔ）を備えるようにしてもよい。

また、高圧リタード噴射は、必要に応じて分割噴射にしてもよく、同様に、吸気行程噴射もまた、必要に応じて分割噴射にしてもよい。これらの分割噴射では、吸気行程と圧縮行程とのそれぞれにおいて燃料を噴射してもよい。

１ エンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ（制御手段）
１８ 気筒
２１ 吸気弁
２２ 排気弁

Claims (4)

1. 内側に少なくとも燃料と空気とを含む混合気が燃焼する燃焼室が形成された気筒と、当該気筒内に吸気を導入する吸気ポートと、前記気筒内から排気を排出する排気ポートと、前記吸気ポートを開閉可能な吸気弁と、前記排気ポートを開閉可能な排気弁とを有するエンジン本体と、
   前記混合気の燃焼形態および前記排気弁の開弁状態を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   少なくともエンジン負荷が所定負荷よりも低い低負荷領域では、前記燃焼形態を圧縮自着火燃焼にするとともに、排気行程で前記排気ポートに排出された排気の一部が吸気行程で気筒内に戻されるように、前記排気弁を、少なくとも排気行程と吸気行程とにおいて開弁させ、かつ、前記圧縮自着火燃焼が実施される圧縮自着火領域のうちエンジン負荷が特定負荷以上の高負荷側圧縮自着火領域では、前記排気弁を排気下死点よりも進角側で開弁させる一方、前記圧縮自着火領域のうちエンジン負荷が前記特定負荷未満の低負荷側圧縮自着火領域では、前記排気弁を排気下死点よりも遅角側で開弁させることを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記制御手段は、前記低負荷側圧縮自着火領域において、エンジン負荷が低いほど前記排気弁の開弁時期を遅角側にすることを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
3. 請求項１または２に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記制御手段は、前記低負荷側圧縮自着火領域、および、前記高負荷側圧縮自着火領域において、前記排気弁が開弁してから当該排気弁が吸気行程で閉弁するまでの間の期間である前記排気弁の開弁期間を一定に維持しつつエンジン負荷が低いほど当該排気弁の開弁時期を遅角側にすることを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記制御手段は、前記高負荷側圧縮自着火領域のうちエンジン負荷が最も高い運転条件において、前記排気弁の開弁時期を排気下死点前１０度クランク角から排気下死点前５０度クランク角の間の角度にすることを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。

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