JP6239009B2 - Ｓｉ燃焼モードとｈｃｃｉ燃焼モードとの間の遷移を制御するシステムおよびその方法 - Google Patents

Ｓｉ燃焼モードとｈｃｃｉ燃焼モードとの間の遷移を制御するシステムおよびその方法 Download PDF

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Description

本出願は、２０１３年２月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／７６７７２６号の関連出願であって、この仮出願に基づく優先権を主張するものであり、これによってこの仮出願の内容全体を本明細書の一部を構成するものとして援用する。
本出願は、内燃機関（以下単に“ＩＣＥ”とも称する）における火花点火燃焼モード（以下単に“ＳＩモード”とも称する）と予混合圧縮自己着火燃焼モード（以下単に“ＨＣＣＩモード”とも称する）との間の遷移状態を制御するシステムに関している。
ＨＣＣＩモードとは、ピストンエンジンのための高度な燃焼コンセプトであり、現行の技術を遙かに超える効率と排出ガスに係る利益をもたらすものである。このＨＣＣＩ燃焼プロセスは２０年以上にわたって研究されてきており、現行技術による効率と排出性能とをさらに向上させることが可能な、自動車エンジンのための潜在技術として有望視されている。
ＨＣＣＩモードでは、空気、燃料及び高温の排気ガスからなる均一な混合気が、自己着火が起きるまで圧縮される。ゆえにここでの燃焼は火花点火によって開始されるものではない。むしろここでの適正な条件はシリンダ内で確立されており、そこでは単にシリンダ内のガスの圧縮によって着火が開始されるだけである。そのためＨＣＣＩモードは、シリンダ内部温度とガスの組成とにひときわ大きく依存している。ＨＣＣＩモードでの着火に望まれる温度を提供するために、典型的には、先行の燃焼サイクルからかなりの量の高温の排気ガスがこの自己着火を可能にするためにシリンダ内で捕捉されるが、しかしながらそれ以外の例えば圧縮比の増加や吸入空気の加熱も含めた方法も、ＨＣＣＩ燃焼を開始させるために試されてきている。
ＨＣＣＩ燃焼を組み込む大きな利点は、ＨＣＣＩモードのエンジンではスロットルを完全に絞りこむことなく動作させることができることにあり、それによって火花点火（ＳＩ）モードのエンジンで典型的なポンピング損失が相当に低減され効率が増加する。また高希薄（反応）混合気と火炎の不存在のためにピーク燃焼温度が非常に低く、このことはＮＯｘ排出量を大幅に減少させることにつながる。
しかしながらＨＣＣＩモードだけのシステムの提供には、負荷限界があるため問題となる。すなわち自己着火は急峻な圧力上昇レートと共に発生し、これはエンジンの構造上望ましくない高負荷時のノッキングに結びつく。従ってＨＣＣＩモードでは最大出力の頭打ちが存在する。また低負荷時の限界領域では、自己着火に必要とされる温度を達成することができないため、ＨＣＣＩモードそのものを維持することが困難になる。つまりＨＣＣＩモードは低速域では不可能である。なぜなら低速域では自己着火を開始するための燃料種の化学分解が非常に遅い速度になってしまうからである。これは不安定な動作や失火につながる。
それ故にＨＣＣＩモードにおいて効率的かつ安定的にエンジンを動作させるための運転領域は、限られた範囲に存在するだけである。したがって自動車エンジンにＨＣＣＩモードを組み込もうとする試みは、従来のＳＩモードとの組み合わせによってなされてきた。この取り組みでは、ＳＩモードは冷間始動時の周期中と、低速／低負荷によるエンジンのランプアップ中に使用される。中高負荷時の中間領域では、エンジンをＨＣＣＩモードで動作させることができ、それによって最大効率と最小排出量とが可能になる。なおこのＨＣＣＩモードは、出力需要がＨＣＣＩモードの上方の負荷限界を超えた場合には、再びＳＩモードに戻される。
しかしながら１つのモードから他のモードへスムーズに遷移させることには、さらに付加的な課題が残される。例えばモードの切り替え中に所望のトルクを維持し続けることは、ＳＩモードとＨＣＣＩモードとの間の運転条件に著しい差異があるため改善の余地がある。それ故既製のエンジンにＨＣＣＩモードを実装するためには、高度な制御アルゴリズムが必要とされる。この高度な制御アルゴリズムは、ＨＣＣＩモードにおいて直接的な点火トリガ（例えばスパークなど）が存在しないことや捕捉すべき排気ガスのサイクル毎の動的導入のために、非常に複雑なものになってしまう。なお文献においてもＨＣＣＩモードの定常状態や遷移制御のためのいくつかのモデル化と制御手段の開示は存在する。
以上の議論からも明らかなように、ＨＣＣＩモードと従来のＳＩモードとの間の遷移には、低負荷／低速域だけでなく、中高負荷／中高速域も加えた両領域において、運転範囲の終わり（境界）が必要である。これは図１に概略的に示されている。図１では、ＨＣＣＩモードが好適となるエンジンの負荷／回転速度領域が境界領域１０によって示されている。境界領域１２はＳＩモードの運転許容領域を示している。この図によれば、エンジンは、ライン１４に沿って低速／低負荷状態から高速／高負荷状態に遷移している。またエンジンは、位置１６においてＳＩモードからＨＣＣＩモードへ最適に遷移し、位置１８において再びＨＣＣＩモードからＳＩモードに最適に遷移している。さらにエンジンは、ライン２０に沿って高速／高負荷状態から低速／低負荷状態へ遷移しており、その際エンジンは、位置２２においてＳＩモードからＨＣＣＩモードへ最適に遷移し、位置２４において再びＨＣＣＩモードからＳＩモードへ最適に遷移している。
所望のモード切り替えを達成するために、ＨＣＣＩエンジンは典型的には完全にフレキシブルな可変バルブ操作システムか又はデュアルカム位相器を実装している。前者は研究目的に適しているが、生産ラインでの設定によって実装するのは困難である。ＨＣＣＩエンジン用のデュアルカム位相器は、典型的には二組のバルブプロファイルで設計され、１つはＳＩモード用もう１つはＨＣＣＩモード用である。
図２には、ＳＩモードとＨＣＣＩモードのバルブリフトプロファイルとバルブ開／閉プロファイルの典型が示されている。ライン３０は、ＳＩモードにおける排気バルブのバルブリフト位置をクランク角度（以下単にＣＡＤとも称する）に亘って特定しており、ライン３２は、ＳＩモードにおける吸気バルブのバルブリフト位置をクランク角度ＣＡＤに亘って特定している。ライン３４は、ＨＣＣＩモードにおける排気バルブのバルブリフト位置をクランク角度ＣＡＤに亘って特定し、ライン３６は、ＨＣＣＩモードにおける吸気バルブのバルブリフト位置をクランク角度ＣＡＤに亘って特定している。これらのライン３０，３２，３４，３６の最大高さを、ここでは「バルブリフトプロファイル」と称し、それに対して前記ラインが離間して再び０ｍｍに戻るクランク角度ＣＡＤを、「バルブ開／閉プロファイル」ないし「バルブタイミングプロファイル」と称する。
図２では、ＳＩモードにおいては高いバルブリフト（バルブリフトプロファイル）と、長い開弁期間（バルブタイミングプロファイル）を有することが望ましいことが示されており、一方ＨＣＣＩモードの間は、低いバルブリフトと短い（但し排ガスの捕捉は可能である）開弁期間とを有することが望ましいことが示されている。したがってＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移には、ＳＩバルブプロファイル（バルブリフトプロファイル＋バルブタイミングプロファイル）からＨＣＣＩバルブプロファイル（バルブリフトプロファイル＋バルブタイミングプロファイル）への切り替えが含まれ、この切り替えが重要な動特性の導入を可能にする。
２つのモード間の切り替えに対する様々な取り組みはこれまでの文献にも開示されてきており、そこにはシングルステップの切り替えだけでなく、複数のサイクルに亘って緩やかに生じる遷移も含まれている。またいくつかの制御の取り組みもこれまでの文献に記されており、ある文献にはＳＩモードから早期の吸気バルブ閉鎖を伴ってＨＣＣＩモードに切り替える制御手順が開示されており、ここでは切り替えの間に燃料量とバルブタイミングとが制御されている。また別の文献では、ＳＩモードからＨＣＣＩモードへ複数のサイクルに亘って遷移させる間に負荷と空燃比とを制御する取り組みが開示されている。しかしながらこれらの全ての取り組みは、いずれも望ましくない動特性をもたらす。
それ故にここで望まれることは、ＳＩモードとＨＣＣＩモードとの間でさらなる動特性の向上を示す遷移を提供する制御システムの実現にある。
発明の概要
１つの実施形態によれば、エンジンシステムは、第１のシリンダと、前記第１のシリンダ内へのガス流を制御するように構成された第１の吸気バルブと、前記第１のシリンダからのガス流を制御するように構成された第１の排気バルブと、前記第１のシリンダ内への燃料流を制御するように構成された第１のスロットルと、複数のプログラム命令が格納されたメモリと、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブ及び前記第１のスロットル及び前記メモリに動作可能に接続されているプロセッサとを含み、前記プロセッサは、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、ＳＩバルブリフトプロファイルに従って制御し、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、前記ＳＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第１のスパークを活性化し、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御し、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第２のスパークを活性化し、前記第２のスパークを活性化した後で、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルで制御している間に前記第１のスロットルの噴射開始（ＳＯＩ）タイミングを、ＨＣＣＩＳＯＩモードで制御する、前記プログラム命令を実行するように構成されている。
別の実施形態によれば、エンジンシステムの制御方法は、第１の吸気バルブと第１の排気バルブと第１のスロットルとを備えた第１のシリンダを提供するステップと、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを火花点火（ＳＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御するステップと、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＳＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第１のスパークを活性化させるステップと、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御するステップと、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第２のスパークを活性化させるステップと前記第２のスパークを活性化した後で、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルで制御している間に、前記第１のスロットルの噴射開始（ＳＯＩ）タイミングをＨＣＣＩＳＯＩモードで制御するステップとを含んでいる。
ＳＩ運転領域とＨＣＣＩ運転領域及びそれらの間の遷移を概略的に示した図 ＳＩ運転モードとＨＣＣＩ運転モードのバルブプロファイルの例を示した図 本発明の原理に従ったエンジンシステムを示した図 図３のメモリに格納されたプログラム命令の実行によって提供される制御構造を概略的に示した図 図４の制御構造によって制御されるＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移ストラテジを示した図 図４の制御構造によって制御されるＨＣＣＩモードからＳＩモードへの遷移ストラテジを示した図 ＳＩ運転モードで動作する図４の制御構造を示した図 遷移運転モードで動作する図４の制御構造を示した図 ＨＣＣＩ運転モードで動作する図４の制御構造を示した図 図４の制御構造によって提供される過程を示したフローチャート 図４の制御構造によって提供される過程を示したフローチャート 開ループ制御器を用いたＳＩモードからＨＣＣＩモードへの切り替えに起因するＣＡ50とＮＭＥＰとを示した図 ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移を内部ＥＧＲ率とラムダ値に関連させて示した図 ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移の間のプロットされたシリンダ圧力を示した図 複数の運転モード間の切り替え制御のための非線形モデルの概要を示した図 典型的なＳＩモードからＨＣＣＩモードへの切り替え中の開ループ制御器と閉ループ制御器のための開ループ入力のプロットを示した図 図１５による典型的なＳＩモードからＨＣＣＩモードへの切り替え中の開ループ制御器と閉ループ制御器のための出力のプロットを示した図 開ループ制御システムのためのＨＣＣＩ運転の最初の４サイクルのシリンダ圧力を示した図 閉ループ制御システムのためのＨＣＣＩ運転の最初の４サイクルのシリンダ圧力を示した図 別の典型的なＳＩモードからＨＣＣＩモードへの切り替え中の閉ループ制御と開ループ制御のための出力のプロットを示した図
以下の明細書ではさらなる理解を促すために、図面に示された実施形態に基づいて本発明の原理を説明する。なお本開示は、本発明の権利範囲の限定を意図したものではないことを理解されたい。さらに本開示は、例示された実施形態に対する何らかの変更や修正を含み、通常一般に当業者が思いつくような開示原理のさらなる応用も含むことを理解されたい。
図３には、エンジン１０２を含むエンジンシステム１００が示されている。このエンジンは、少なくとも１つのシリンダ１０４を含んでいる。ここでは１つのシリンダ１０４と関連する構成要素しか示されていないが、別の実施形態では、複数のシリンダ１０４が組み込まれていてもよい。前記シリンダ１０４には、エンジン吸気バルブ１０６と、エンジン排気バルブ１０８と、点火プラグ１１０とが対応付けられている。スロットル１１２は、シリンダ１０４内への燃料の流入を制御している。
前記エンジンシステム１００は、さらにメモリ１１４とプロセッサ１１６を含んでいる。メモリ１１４には、以下でさらに詳細に説明する様々なプログラム命令がプログラミングされている。プロセッサ１１６は、前記メモリ１１４内にプログラミングされているこれらのプログラム命令を実行するように動作可能である。プロセッサ１１６は、エンジン吸気バルブ１０６と、エンジン排気バルブ１０８と、スパークプラグ１１０と、スロットル１１２に動作可能に接続されている。プロセッサ１１６は、その他のセンサと制御器にも動作可能に接続されており、それらのいくつかはさらに以下で詳細に説明する。
プロセッサ１１６は、図４に示されているコマンド構造１２０を提供するために、前記メモリ１１４内に記憶されているプログラム命令を実行する。従ってプロセッサ１１６は、エンジン１０２を制御するために用いられるフィードフォワード機能部１２６とフィードバック機能部１２８とを含んだ閉ループ制御器１２４と推定器１２２とを備えている。基本的に、エンジン１０２に供給される開ループコマンド１３０は、所望の出力１３２を受け取るフィードフォワード機能部１２６にも供給される。フィードバック機能部１２８は、エンジン１０２の出力に基づいて状態を推定する推定器１２２から状態の形態の入力信号を受け取る。フィードバック機能部１２８からの信号とフィードフォワード機能部１２６からの信号が結合された出力は、エンジン１０２を制御するためと推定器１２２への入力として使用される。
前記閉ループ制御器１２４は、状態を観察するために（例えば燃焼位相または仕事出力などの）エンジンからの出力を使用する推定器１２２によって生成された状態量（例えば混合気温度、反応生成物濃度など）の推定に基づいて動作する。例えばプロセッサによって使用される２つの状態量、例えば酸素濃度と温度は、この実施形態では直接測定されたものではない。むしろこれらの値は、“ＣＡ50”の測定に使用される推定器１２２に基づいて推定されている。この“ＣＡ50”とは、燃焼からのエネルギーの５０％が放出されたクランク角度として定義される。
この制御ストラテジは、ＨＣＣＩモードと同様の低リフト量のバルブプロファイルを伴ったＳＩ運転モードを含んだ取り組みに基づいている。それ故に燃焼モードの切り替えに伴う動特性も、図２に関連して上述したように、ＳＩモードにおいて用いられる典型的な高リフト量、長期間のプロファイルの切り替えバルブプロファイルの動特性から離れてＨＣＣＩモードに対して使用される低リフト量、短期間のプロファイルの動特性に代わる。ここでは各遷移中に定められた３つの制御／推定モードを伴う切り替え制御方式が提供される。
図５には、図１のライン１４に沿った手順の場合の一般的な制御プロセスを示している。プロセッサ１１６は、最初にエンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８を、高バルブリフトＳＩモード１３６に制御する。遷移のときにはプロセッサ１１６はエンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８とを低バルブリフトＳＩモード１３８に制御する。一度ＨＣＣＩモードの条件が満たされると、プロセッサ１１６は、エンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８とを低バルブリフトＨＣＣＩモード１４０に制御する。
図６には、図１のライン２０に沿った手順の場合の一般的な制御プロセスを示している。プロセッサ１１６は、最初にエンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８を低バルブリフトＨＣＣＩモード１４２に制御する。遷移が要求された場合には、プロセッサ１１６は、エンジン吸気バルブ１０６と、エンジン排気バルブ１０８とを低バルブリフトＳＩモード１４４に制御する。その後プロセッサ１１６は、エンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８とを高バルブリフトＳＩモード１４６に制御する。
低バルブリフトＳＩモード１３８／１４４の組み込みにより、２つの燃焼モード間のスムーズな移行が、燃焼モード切り替え動特性からバルブ切り替え動特性を切り離すことによって可能になっている。この切り離しは、純粋なＳＩ燃焼時に発生するバルブリフトプロファイル切り替えの降格による制御の問題を簡素化させる。燃焼モード切り替えのための制御手順は、制御器１２６／推定器１２２に対する３つの運転モードの指定に基づいている。第１の運転モードは、図７に示されている。
図７では、システム１２０がＳＩモードで機能し、ＳＩモード推定器として機能する推定器１２２、ＳＩ閉ループコマンド１５０と開ループコマンド１５２が、エンジン１０２をＳＩモードで制御するために使用されている。この構成では制御器１２４は、×印によって示されているように活動していない。それにもかかわらずＳＩ推定器１２２は、燃焼の位相としての測定値に基づいて状態の推定値を得るために使用される。これらの推定値は、遷移モード中にターンオンされたときにＨＣＣＩ制御器に供給される。
遷移モードは図８に示されている。ここでは推定器１２２は、遷移モード推定器として機能する。このコマンド構造１２０は遷移モードで機能し、それ以外では図４に関連して説明したコマンド構造の機能に類似している。遷移モード制御は、混合気温度や残留質量などかぎとなる状態の推定に基づいて決定される。遷移中に制御される出力には、エンジンサイクル毎の燃焼位相と仕事出力とが含まれる。推定器１２２は、このモードに対してＳＩ推定器とＨＣＣＩ推定器の２つの要素を持っている（下記参照）。なぜなら燃焼は主に火炎伝播（ＳＩ）によって起こっているからであり、ＨＣＣＩのような動作は次のサイクルで自己着火につなげられる。一実施形態によれば、遷移モードは単一のサイクルの間継続する。
最終的な運転モードは、図９に示したＨＣＣＩモードである。図９では、推定器１２２がＨＣＣＩモード推定器として機能している。このコマンド構造１２０はＨＣＣＩモードで機能し、それ以外は図４に関連して説明した上記コマンド構造に類似する。このモードでは、ＨＣＣＩ閉ループ制御器１２４は、エンジン１０２の所望の仕事出力と燃焼位相とを追跡するために、燃料噴射タイミングなどの入力の制御に使用される。
前記閉ループ制御部１２４は、一実施形態によれば、以下でより詳細に議論するようにＨＣＣＩ制御指向のモデルに基づいて設計される。ここでの一次閉ループ制御入力は、燃料噴射タイミングである。なぜならそれはサイクル毎及びシリンダ個別に制御ノブとして使用することができるからである。但しその他の閉ループ入力は別の実施形態では、バルブタイミングや燃料量などを含む。
図７乃至図９に示したモードは、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すプロセスに基づいてプロセッサ１１６によって実施される。制御器１２４と推定器１２２は、各エンジンサイクル毎に一度、典型的には燃焼プロセスの後に更新され、燃焼位相などの重要な測定値の推定が利用可能になる。制御器１２４はモードを切り替えるためにコマンドをチェックする。このモードを切り替えるためのコマンドは、現在のモード及びエンジン出力、並びに、例えばアクセルペダル位置によって示される所望のエンジン出力など様々な入力量に基づいて、プロセッサ１１６によって生成される。ステップ１６２において切り替えモードなしの指令がなされた場合には、当該プロセスはステップ１６４に続き、切り替えのためのコマンドを待機する。
前記ステップ１６２でのチェックの際にモードを切り替えるためのコマンドが発せられている場合には、当該プロセスはステップ１６６に進み、プロセッサ１１６は、現在エンジン１０２がＳＩモードで制御されているか否かを決定する。ＳＩモードで制御されている場合には、当該プロセス１６０はステップ１６８に進み、現在のモードをチェックする。モードが切り替えられなかったためにシステムは依然としてＳＩモードのままである場合には、当該プロセスはブロック１７０に続き、ＳＩ推定器１２２が状態の推定のために動作する。閉ループ切り替え制御器はオフ状態を維持する。遷移シーケンスのための開ループ入力は、ステップ１７２で開始される（ＳＩモードにおける化学量論とトルク中立性を維持するために必要ないくつかの閉ループ入力と共に）。有利な実施形態によれば、これらの開ループ入力には、バルブタイミング、スロットル開度、点火時期や燃料量などの入力が含まれる。
当該プロセス１６０は、その後サイクルインデックスが増分されるステップ１７４に進み、さらにこのプロセスはステップ１６８に続く。サイクルはステップ１７４においてインデックスが作成されているので、このときの現在モードは遷移モードになる。したがって、当該プロセスはステップ１７８に続き、遷移推定器は、現在の測定値、及び最後に得られた状態の推定値（ＳＩ推定器からの）に基づいて状態を更新するために動作する。更新された状態の推定値は、ステップ１８０において、低バルブリフト時のバルブ１０６／１０８と共に開ループ入力に加えて、閉ループ切り替え制御器によって使用される。一次閉ループ制御入力は、燃料噴射タイミングであるが、他の閉ループ入力は、好適な実施形態ではバルブタイミング、燃料量などを含む。
ステップ１８２では、ＨＣＣＩ制御器は、次のモード、すなわちＨＣＣＩモードに対するサイクルインデックスの増分（ステップ１７４）に従って実行される。その後、当該プロセスはステップ１６８へ進む。
サイクルは、二度目のステップ１７４に対してインデックスが作成されているので、ステップ１６８における現下のモードはＨＣＣＩモードである。したがって当該プロセスはステップ１８４に続き、ＨＣＣＩ推定器は、現下の測定値と最後に入手した状態の推定値（遷移推定器からの）とに基づいて状態を更新すべく実行される。更新された状態の推定値は、ステップ１８６における開ループ入力に加えて所定の閉ループ入力のコマンドのために閉ループ切り替え制御器によって使用される。一次閉ループ制御入力は、燃料噴射タイミングであるが、他の閉ループ入力は、好適な実施形態ではバルブタイミング、燃料量などを含む。ステップ１８８では、ＨＣＣＩ制御器が実行されます。このプロセスは、次にステップ１６４に続き、新たなモード切り替えコマンドを待つ。
ステップ１６６でエンジンがＳＩモードで制御されていない場合には、モード切り替えは、ＨＣＣＩモードから上述した切り替えに類似のＳＩモードに切り替わる。一般には、当該プロセスがステップ１９２（図１０Ｂ）に続く。モードは切り替えられていないので、システムはまだＨＣＣＩモードにあり、当該プロセスはステップ１９４に続き、ＨＣＣＩ推定器が実行される。ステップ１９６では、開ループコマンドが実施され、ＨＣＣＩ制御器は、ステップ１９８で実施される。
当該プロセス１６０は、その後サイクルインデックスが減分されるステップ２００に進み、さらにこのプロセスはステップ１９２に続く。このサイクルは、ステップ２００において減分されたので、ステップ１９２における現行モードは遷移モードになる。したがって、当該プロセスはステップ２０２に続き、遷移推定器が実行される。ステップ２０４では、開ループコマンドが実施され、遷移サイクルは低リフトのバルブ１０６／１０８を用いて実行される。ステップ２０６では、サイクルインデックスの減分（ステップ２００）に従ってＨＣＣＩ制御器が、次のモードへ、すなわちＳＩモードへ実行される。当該プロセスはその後ステップ１９２に進む。
サイクルはステップ２００において二度減分されているので、ブロック１９２における現在のモードはＳＩモードである。したがって、当該プロセスはステップ２０８に続き、ＳＩ推定器が実行される。好適な実施形態によれば、状態がＳＩ運転のために必要ないのでステップ２０８が省略され、新しい状態はステップ１７０でＨＣＣＩモードへの切り替え時に生成される。いずれの場合においても、ブロック２１０において、開ループコマンドが実装され、初期ＳＩサイクルが実行される。続いて当該プロセスはブロック１６４に続き、新たなモード切り替えコマンドを待機する。
上記のプロセス１６０では、ＳＩ推定器は、いくつかの実施形態では、この燃焼モードの主な特徴をキャプチャし、そのような混合気温度や反応生成物濃度のような状態に対する燃焼位相や仕事出力のような測定に関するＳＩ燃焼モデルに基づいている。またＨＣＣＩ推定器は、いくつかの実施形態では、この燃焼モードの主な特徴をキャプチャし、混合気温度や反応生成物濃度のような状態に対する燃焼位相や仕事出力のような測定に関するＨＣＣＩ燃焼モデルに基づいている。遷移推定器は、ＳＩ推定器とＨＣＣＩ推定器の両方の部分を含む。なぜなら遷移サイクルはＳＩモードのような燃焼を有しているが、サイクルの残りの期間中の動作は後続サイクルのＨＣＣＩ燃焼を生じさせるからである。それ故に、測定された燃焼パラメータ（例えば燃焼位相）に基づいて状態を更新する推定器の一部は、ＨＣＣＩ推定器から取り入れられ、一方、供給入力に関する部分はＳＩ推定器から取り入れられる。例えばカルマンフィルタを使用する場合、測定値の更新はＳＩ推定器に基づき、それに対して時間の更新はＨＣＣＩ推定器に基づく。
遷移サイクルに制御器を切り替えるときの決定は、許容可能な任意の方法で行われてもよい。いくつかの実施形態においては、温度閾値が、自己着火の発生する可能性がある温度を超えて設定され、推定された状態の温度がこの閾値を超えると、遷移サイクルモード推定器が開始される。またいくつかの実施形態では、この決定が、捕捉された排気の量、排気バルブタイミング、又はその他の類似の指標量に基づいてなされる。
プロセス１６０の間、エンジンサイクルは、純粋なＳＩ燃焼又は純粋なＨＣＣＩ燃焼のいずれかのみに従う必要はない。いくつかの実施形態によれば、遷移中のいくつかの中間サイクルは、火炎伝播と自己着火の両方の現象を示す（例えば火花支援圧縮着火“spark-assisted compression ignition”；以下ＳＡＣＩモードとも称する）。しかしながら前記制御器／推定器は、ＳＩモード、ＨＣＣＩモード、又は遷移サイクルモードのいずれかで動作する。さらにいくつかの実施形態によれば、前記制御器／推定器は、ＳＩモードとＳＡＣＩモードの間、及び、ＳＡＣＩモードとＨＣＣＩモードの間で画定される遷移サイクルモードに沿って、ＳＡＣＩモードにおいても動作する。したがって前記制御器／推定器は、サイクルに含まれているモードに応じて任意の所定のサイクルで動作する。
先にも述べたように、エンジンがＳＩモードとＨＣＣＩモードの間で動作するときには２つの大きな制御問題が存在する。第１の制御問題は、ＳＩモードにおける化学量論の維持（これは三元触媒の最大変換効率のために必要とされる）にあり、それに対してバルブは、それらのＳＩモード位置とＨＣＣＩモード位置との間で、スロットル位置の制御によってランピングされる。図３の実施形態によれば、この化学量論的制御問題は、任意の所期の方法で取り組まれる（実質的にはガス交換動態の対処）。
第２の制御問題は、ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移中の望ましい燃焼位相と一定の負荷の維持である。プロセス１６０によって対処されるこの制御問題は、シリンダ１０４内の燃焼動特性に着目され、したがって遷移中の全ての開ループ制御されるバルブタイミング、スロットル開度、点火時期に焦点が向けられる。バルブに対するランプレートは、期待される電動カム位相器のランプレートに基づいた固定値に設定される（２０００ｒｐｍにおいて約１２度のクランク角ＣＡＤ／サイクル）。
従来のシステムでは、単純に１２度のクランク角ＣＡＤ／サイクルのランプレートを開ループ制御で用いた結果、望ましくない動特性を引き起こしていた。例えば図１１には、サイクル４５から開始される１２度のクランク角ＣＡＤ／サイクルのランプレートのバルブ位置を伴った、定常状態ＳＩ条件とＨＣＣＩ条件との間の開ループ制御された遷移に対するエンジンサイクルの関数として、正味平均有効圧力（net mean effective pressure;以下単に「ＮＭＥＰ」とも称する）で表される仕事出力が示されている。サイクル５０は自己着火を伴う最初のサイクルである。最初の２つのＨＣＣＩサイクルにおける燃料噴射は、ＳＩモードの高い排気温度を補償するために遅いタイミングで維持される（このことは燃焼位相を進める）。それに続く噴射タイミングは、安定した燃焼の維持のために早期に設定される。図１１から明らかなように、いくつかの望ましくない動特性が遷移中に存在している。例えばいくつかのサイクルは非常に早い燃焼位相（上死点“ＴＤＣ”前）を有し、これはＮＭＥＰの急激な低下を引き起こす。早過ぎる燃焼位相はノッキングの増大につながる。
したがって図４の実施形態では、閉ループ制御器１２４は、一定のＮＭＥＰの維持と、非常に早い燃焼位相を伴ったサイクルの防止のために、サイクル毎の燃料噴射タイミングの制御によって所望の位相を追っている。この燃料噴射タイミングは、様々な理由から燃焼位相の一次制御入力として使用される。一つの理由は、噴射タイミングが再圧縮位相中の燃料の反応により燃焼位相に強い影響を及ぼすからである。さらに燃料噴射は、多気筒エンジンのサイクル毎やシリンダ個別の制御入力として使用することができ、そのためにバルブタイミングなどの入力量が全てのシリンダに対してカム位相器位置に基づいて設定される。
それに応じて、メモリ１１４内に格納されているプログラム命令は、低リフトバルブを伴って動作する絞られたスロットルのＳＩモードから、低リフトバルブを伴った絞られないスロットルのＨＣＣＩモードへの移行を可能にする。そのためデュアルカム位相器システムにおいて、高リフトから低リフトへの切り替えの動特性は、ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの切り替えの動特性から分離される。従ってプロセス１６０に関連して上述したＳＩモードからＨＣＣＩモードへのモード切り替えは、プロセッサ１１６の制御のもとで、メモリ１０４に格納されているプログラム命令により以下のシーケンスに沿って実行される：
１．スロットル１１２は大きく開かれた位置に操作される
２．吸排気バルブ１０６，１０８は、複数のサイクルにわたって定常状態ＳＩモード位置からＨＣＣＩモード位置にランピングされる。このランプレートは、所期の電動カム位相器システムのための最大許容ランプレートに基づいて固定される
３．前記吸排気バルブ１０６，１０８がＨＣＣＩモード位置に近い場合には、燃料噴射量と噴射タイミングとがＳＩモード値からＨＣＣＩモード値に切り替えられ、点火プラグ１１０はターンオフされる。
この結果として得られる遷移は、図１２に概略的に示されている。この図１２では、プロセッサ１１６は、最初にＳＩモードでエンジン１０２を制御する。このＳＩモードでは、理論空燃比と実際の空燃比との間の割合いを表すラムダ値と内部排気再循環（ＥＧＲ）量または捕捉された排気ガス量とが典型的には化学量論（λ＝１）で低い内部ＥＧＲ量でもって実行される。ＳＩモードは、通常は、スロットルの部分的閉鎖（化学量論の維持）と、吸排気バルブの高リフトカム動作（通流量の最大化）とによって制御されている。
ＨＣＣＩモードは、それとは対照的に通常はリーン側（λ＞１）で高い内部ＥＧＲ量で実行される。そのためＨＣＣＩモードは、スロットル１１２の全開（これによりポンプロスが最小化）と、吸排気バルブ１０６／１０８の低リフトカム動作（シリンダ１０４内の残留ガスの適切な捕捉を可能にするため）とによって制御される。
図１２において動作パラメータライン２２０によって示されているＳＩモードからの遷移に対して、プロセッサ１１６はスロットル１１２を開き、それに対してエンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８はランピングされる。それにより動作パラメータライン２２０の領域２２２において内部ＥＧＲの割合が増加している間化学量論は維持される。一度ＥＧＲが動作パラメータライン２２０の領域２２４まで上昇すると、自己着火可能にするための十分なＥＧＲが存在する。従ってプロセッサ１１６は、ＨＣＣＩモードへの切り替えを開始する。
以下の表１は、単気筒エンジンにおいて、２０００ｒｐｍのエンジン回転速度、の４ｂａｒのＮＭＥＰ負荷での１つのモード切り替えに対するＳＩモードとＨＣＣＩモードにおける定常状態の運転条件を示している：
Figure 0006239009
前記表１のデータには、ＳＩモードへの切り替えが必要とされる、ＨＣＣＩ運転範囲の上端（例えば図１の点１８）に向けた運転状態が示されている。すべてのクランク角度は、燃焼中の上死点（ＴＤＣ）位置である０度のクランク角度ＣＡＤを基準にしている。
表１は、ＳＩモードでの吸気バルブ１０６の閉鎖位置（ＩＶＣ）と排気バルブ１０８の閉鎖位置（ＥＶＣ）とが、比較的少量の負のバルブオーバーラップ（ＮＶＯ）を伴ったバルブタイミングプロファイルで提供されている。しかしながらＨＣＣＩモードでは、ＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルは、大きな負のバルブオーバーラップ（ＮＶＯ）を提供し、それ故に、残留質量を捕捉する。ＳＩモードでの吸気圧は、スロットルが絞られているために大気圧よりも低い。一方ＨＣＣＩモードではスロットルは絞られないので、それよりも圧力は高い。
さらにＨＣＣＩモードでは、ＨＣＣＩのより高い効率化のために、同じ負荷に対してより少ない燃料が噴射される。またこの燃料はＳＩモードと比べてかなり早期の時点でＨＣＣＩモードにて噴射される。これは噴射開始（ＳＯＩ）タイミングとも称される。実際のところＨＣＣＩモードにおける燃料は、再圧縮プロセス中に噴射され、そこでは高い圧力と高い温度条件とが燃料の部分的な反応を可能にしている。このような再圧縮の反応は、後続のエンジンサイクルの燃焼位相に作用する。
上述したモード移行中のシリンダ１０４内の圧力は、図１３に示されている。図１３は、ＳＩモード運転中の圧力の第１の領域２３０を含んでいる。ＳＩモード運転の場合、制御器１２４は、ターンオフされる。線形化されたＳＩモデル（以下に詳述）に基づいた推定器１２２は、サイクル毎に酸素状態及び温度状態の推定値を計算する。この推定器１２２は、制御器１２４がターンオンした場合にフィードバック機能部１２８に最新の状態の推定値を提供する。
図１３の領域２３２は、遷移モード中のシリンダ１０４内の圧力を示している。このサイクルは、ＳＩ燃焼を伴う最後のサイクルである。推定器１２２はまだ動作中である。なぜならこのサイクルの燃焼が概ね火炎伝播によってであり、自己着火ではないからである。このサイクルでは、制御器１２４がターンオンされる。従ってフィードフォワード機能１２６とフィードバック機能１２８が動作している。これらの両方は以下で詳細に説明する線形化されたＨＣＣＩモデルを組み込む。フィードバック制御入力は、最新のＳＩ状態推定値に基づいており、それに対してフィードフォワード入力は、次の（ＨＣＣＩ）サイクルに対する所望のＣＡ50に基づいている。このモードは、ちょうどこの１つのサイクルに対して動作する。
図１３中の領域２３４は、遷移サイクルに直接続くＨＣＣＩサイクルを示している。このモードでは、制御器１２４と推定器１２２の両方が、線形化されたＨＣＣＩモデルに基づいている。
一実施形態によれば、メモリ１１４内に記憶され、プロセッサ１１６によって実行される線形化されたモード切り替えアルゴリズムは、例えばラヴィ等による文献“IEEE Transactions on Control Systems Technology 18,2010,pp.1289-1302,;Model Based control of HCCI engines using exhaust recompression”に記載されたＨＣＣＩ用制御指向モデルに基づいている。このラヴィモデルは、各サイクルベースでＨＣＣＩ動態を捕捉する離散時間非線形モデルである。図１４には、ＨＣＣＩ中にトレースされる、典型的なシリンダ内圧に関連した非線形モデル２４０のグラフィカルな概要が示されている。この非線形モデルの一次出力は、時点２４２のＣＡ50燃焼位相である。燃焼プロセスを制御するために考慮された入力は燃料量及び噴射時期、並びに吸気及び排気バルブタイミングである。
この非線形モデルの時点２４４における状態は、以下の式、
ｘ＝[[Ｏ2]SＴS[ｆ]SＶIVCＫth]T （１）
で与えられる。これらの状態は、圧縮行程中（この例ではθs＝−６０ＣＡＤ（ＴＤＣ燃焼前の６０ＣＡＤ）のＩＶＣ（時点２４６での入力）後の固定位置θsで定義される。ただし、前記[Ｏ2]S及び[ｆ]Sは、それぞれ酸素と燃料濃度を表し、前記ＴSは混合気温度を表す。前記ＶIVCは、ＩＶＣにおけるシリンダ容積である。最終的な状態Ｋthは、ラヴィらによる文献“Modelling and control of exhaust recompression hcci: Split fuel injection for cylinder-individual combustion control, IEEE Control Systems Magazine, 32, 2012, pp.26-42”に記載されているように、アレニウスの反応速度積分を介した燃焼位相上の燃料噴射タイミングの効果をキャプチャした状態である。
特定のエンジンサイクルの状態とＣＡ50の状態との間並びに次のサイクルの状態との間の関係は、単一のＨＣＣＩサイクルを複数の別個のプロセスに分解することによって得られる。それらの各々は単純な熱力学的仮定を用いてモデル化可能である。圧縮と膨張はポリトロープであると仮定され、有限時間の燃焼プロセスは、熱伝達のために失われる燃料の発熱量の一部と仮定される。排気プロセスは、排気マニホールドに伝達されるボリュームベースのマスによって追従される瞬時ブローダウンによってモデル化される。誘導モデルは、インテークマニホールドと、排気から捕捉した空気とＩＶＣにおける燃料との間の瞬時混合で流体力学的平衡を仮定している。統合されたアレニウスモデルは着火の捕捉のために使用されている。
上記のプロセスを介してステップを実行すれば、以下の２式に示す５状態非線形状態空間モデルが与えられる：
ｘk+1＝ＦHCCI(ｘk,ｕk)
ｙk＝ＧHCCI(ｘk) （２）
状態ベクトルｘは、式（１）で与えられ、出力ｙはＣＡ50であり、さらに入力ベクトルｕは次式、
[ｍfＶEVCＶIVCｕth]T
で与えられる。但しラヴィらによる文献“"Modeling and control of an exhaust recompression hcci engine using split injection", Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 2012, 134.”に記載されているように、前記ｍfは、噴射された燃料の質量であり（時点２５０での入力）、前記ＶEVC及び前記ＶIVCは、排気バルブ閉鎖時点（時点２４８での入力）と吸気バルブ閉鎖次点（時点２４６での入力）のシリンダ容積であり、前記ｕthは、時点２５０でのＳＯＩ入力に対応している。これらの入力量と状態は、吸気バルブ閉鎖時点２４６′とモデル更新２４４′によって表されるようにサイクル毎に更新される。
この非線形モデルは、アレニウスベースの点火モデルを、ＳＩを段階的に導入するための直接のコントロールノブとして機能する点火時期の関数としての点火のための経験的モデルと置き換えることによって、ＳＩ燃焼のために拡張される
θSOC＝ａ1θspk＋ａ2 （３）
式（３）においては、θSOCは燃焼位置の開始を表し、θspkは点火時期を表す。不活性残留物は火炎伝播を遅くし、燃焼持続時間を長くするので第２の量はＳＩ燃焼に重要な影響を持っている。また燃焼の持続時間は、次式に示すように、
ΔθSOC＝ｂ1θSOC＋ｂ2ＥＧＲ＋ｂ3 （４）
燃焼の開始と内部ＥＧＲ率の関数として実験データからパラメータ化することが可能である。
制御指向の非線形モデルの他の構成要素は、ＳＩモードとＨＣＣＩモードの間では本質的に同じである。そのようなポリトロープ指数などのようなパラメータは異なっているが、実験データに基づいて調整される。非線形モデルは、次式、
ｘk+1＝ＦSI(ｘk,ｕk)
ｙk＝ＧSI(ｘk,ｕk) （５）
で表すことができる。
状態および出力はＨＣＣＩモデルと同じであるが、但し入力ベクトルは次式、
[ｍfＶEVCＶIVCθspk]T
で与えられる。ここでは前記噴射タイミング入力が点火時期入力に置き換えられている。点火時期入力は燃焼位相に直接影響を与えるので、出力方程式はここではダイレクトフィードスルータームを有する。
ＳＩ制御モデルとＨＣＣＩ制御モデルを備えたモード切り替えをシミュレートするために、２つの非線形モデルが、それぞれの定常状態条件に調整され、その後、遷移中に一緒にステッチされる。自動着火が発生する直前のサイクルは遷移サイクルとして定義される。それ故、ＳＩ燃焼後のこの遷移サイクルにおいてはモデルがＨＣＣＩモードに切り替えられ、当該遷移サイクルの残りは、ＨＣＣＩパラメータによって実行される。
図４の実施形態では、上述した非線形モデルは、モード切り替え前後で定常状態ＳＩ動作点とＨＣＣＩ動作点の周りで線形化されている。この線形化は、次式、
Figure 0006239009
 の任意の状態量ａkに対する一次式を用いて数値的に行われる。ここで前記
Figure 0006239009
は、公称動作条件下での状態量ａの値を表し、さらに前記
Figure 0006239009
は、前記動作点からの正規化偏差を示す。線形化されたＳＩモデルとＨＣＣＩモデルは、以下の式、
Figure 0006239009
Figure 0006239009
 から与えられる。ここで前記ＡSI、ＢSI、ＣSI、ＤSI、ＡHCCI、ＢHCCI、ＣHCCIは、それぞれの線形化点の関数である行列である。
なお、上記２つの方程式のセットにおける状態量、入力量、出力量は、それぞれの公称動作点の周辺で正規化された値であることに留意すべきである。公称動作点は、ＳＩモードとＨＣＣＩモードとでは異なるため、同じ絶対状態量、絶対入力量、絶対出力量の正規化された値も、ＳＩモードとＨＣＣＩモードとで異なることになる。例示的な制御設計で使用される線形化点は、前述の表１における、２０００ｒｐｍ，４バールＮＭＥＰの動作点で行ったものである。
図３の実施形態によるプロセッサ１１６は、３つの全ての動作モードの状態を推定するカルマンフィルタ構造を使用している。ＣＡ50の測定値は燃焼直後に得られ、そのサイクルの制御入力量（噴射タイミング）が決定される以前である。そのため、カルマンフィルタの現下の推定形態が使用される。ＳＩ又は遷移サイクルモードの場合は、時間と測定の更新は、それぞれ次式のような形態、
Figure 0006239009
 を有している。ここで、前記ＭSIは、カルマンフィルタの補正利得である。制御器１２４は、前述の、
Figure 0006239009
（すなわちサイクルｋの測定値によって与えられたサイクルｋの推定値）によって与えられる現下の状態推定値を使用する。なお、そのようなセットアップは、測定された出力に対する制御入力量の直接的なフィードスルーが存在しない場合にのみ動作することに留意されたい（それ以外の場合は、代数ループが作成されるので）。現下のモード切り替えモデルでは、フィードスルーされる唯一の入力量は、フィードバック制御器により閉ループ制御されていない点火時期なので問題はない。
以下に示す類似した式は、
Figure 0006239009
 ＨＣＣＩモードの時に使用されるＨＣＣＩモデルに基づいて得られるものである。ここではそれらの各推定器によって生成されるこれらの状態推定値が、異なる公称動作点周りで正規化されたものなので、再正規化は、遷移サイクルの後でＳＩ推定器からＨＣＣＩ推定器に状態量の推定が引き継がれるときに行う必要がある点に留意すべきである。
閉ループ制御器は、線形化されたＨＣＣＩモデルに基づいている。このフィードバック入力は、推定器から得られた現下の状態推定値に基づいており、さらにＬＱＲ制御利得に基づいている。フィードフォワード入力は、１９９４年、アディソンウェスリー社から出版されたフランクリンらによる文献“Feedback Control of Dynamic Systems, 3rd edition ed.”で開示されているように、基準入力制御構造によって決定され、それは所望のＣＡ50と開ループ入力に基づいている。ＣＡ50エラーに基づく積分成分は、遷移後に位相が所望の値に収束することを確実にするために付加される。
制御入力は次式、
Figure 0006239009
 によって与えられる。ここで前記ｒkは基準入力（所望のＣＡ50を表す）であり、前記ＫLQRはフィードバック制御利得であり、前記ＫIは積分利得あり、前記Ｎu及びＮxは、線形システムが任意の定数入力に対してゼロでもって定常状態エラーを返した制約から得られたフィードフォワード行列である。
プロセッサ１１６によって実行される制御ストラテジは、圧縮比が１１：１の単気筒ＨＣＣＩエンジンでテストされたものである。吸気バルブと排気バルブ（各々２つ）は、各サイクル毎のバルブの完全にフレキシブルな動作を可能にする電気油圧式可変バルブ作動システム（ＶＶＡシステム）によって制御されている。このシステムは、カム位相器をエミュレートするために使用され、燃料噴射タイミングのみが変更されるように一定のバルブプロファイルを維持している。エンジンは、直噴システムを備えている。筒内圧は、キスラー圧電圧力トランスデューサを使用して測定される。ここで開示する全てのテストは、吸気と排気の両方において４ｍｍのバルブリフト量を使用して実行されたものである。さらに燃料噴射圧力は６０バールに設定され、エンジン冷却水温度は９０℃の温度で一定に保たれている。
図１５と図１６には、４バールのＮＭＥＰと２０００ｒｐｍでのモード切り替え中の開ループ制御応答（図１１に示す）の結果に伴うテスト結果が、エンジンサイクル１０前のＳＩ運転とエンジンサイクル１１後のＨＣＣＩ運転と共に示されている。図１５においてライン２６０は、閉ループ制御下で閉じられる排気バルブを示しており、それに対してライン２６２は、開ループ制御下で閉じられる排気バルブを示している。またライン２６４は、閉ループ制御下で閉じられる吸気バルブを示しており、それに対してライン２６６は、開ループ制御下で閉じられる吸気バルブを示している。これらのラインに見られるように、これらのバルブタイミングは、ＳＩモードにおけるそれらの定常状態位置からＨＣＣＩモードにおける定常状態位置まで複数のサイクルにわたってランピングされており、これは、市販のカム位相器によって達成可能な典型的なランプを表している。
さらにライン２６８は、閉ループ制御下での点火プラグのタイミングを示しており、それに対してライン２７０は、開ループ制御下での点火プラグのタイミングを示している。最後に、ライン２７２は、閉ループ制御下で噴射された燃料量を示しており、それに対してライン２７４は、開ループ制御下で噴射された燃料量を示している。ここでのスパークは、サイクル１２でターンオフされ、燃料質量は、サイクル１０でより少ない値に切り替えられる（ＨＣＣＩモードの高い効率のため）。図１５は、開ループ入力と閉ループ入力との間にほとんど差がなかったことを示している。
図１６には、関心のある２つの出力量、ＣＡ50及びＮＭＥＰと、閉ループ制御入力量、ＳＯＩ（噴射タイミングの開始）が示されている。図１６は、閉ループ制御のためのＣＡ50を示したライン２８０と、それに対して開ループ制御のためのＣＡ50を示したライン２８２と、所望のＣＡ50を示したライン２８４とを含んでいる。さらにライン２８６は、閉ループ制御のためのＮＭＥＰを示しており、それに対してライン２８８は、開ループ制御のためのＮＭＥＰを示している。最後にライン２９０は、閉ループ制御のためのＳＯＩを示しており、それに対してライン２９２は、開ループ制御のためのＳＯＩを示している。
図１６では、モード切り替え後の所望のＣＡ50が、上死点ＴＤＣ後の７度ＣＡＤで設定されている。図１６では、制御器／推定器は、サイクル１乃至１０に対してはＳＩモードで実行され、サイクル１１では遷移モードで実行され、サイクル１２以降はＨＣＣＩモードで実行されている。ＳＩモードでは、閉ループ制御動作はなく、すべての入力量は、開ループで命令されている。閉ループ制御器は、サイクル１１の間に投入され、このサイクルはいくつかの自己着火を伴う最初のサイクルである。
重要なことは、閉ループ制御（ライン２９０）のためのＳＯＩの軌道は、開ループコマンド（ライン２９２）から著しく異なっていることである。具体的には、ＨＣＣＩ燃焼を安定化させる早期噴射の２サイクル後に、噴射タイミングが遅延方向に動かされ、それによって燃焼位相も遅延する。この遅延は２つの重要な効果を有している。
第１の効果は、ＮＭＥＰにおける急峻な低下が回避されることである。対照的に開ループ制御のケース（ライン２８８）は、時点２９４で急峻に低下する。従って閉ループ制御は、モード切り替えの間に比較的安定した仕事出力を維持する（さらに遅い燃焼位相のために全体的な効率が向上している事実）。
第２の効果は、非常に早期の燃焼位相が伴うサイクルが回避されることである。この早期の燃焼位相は、ＮＭＥＰにおける急峻な低下だけでなくノッキングも引き起こす。例えば図１７には、開ループ制御の下でのＳＩ運転からの切り替えに続くＨＣＣＩ運転の最初の４つのサイクルにわたるシリンダ内の圧力のグラフ３００が示されている。この図１７では、ライン３０２が第１のサイクル、ライン３０４は第２のサイクル、ライン３０６は第３のサイクル、ライン３０８は第４のサイクルである。図１７は、ノッキングが発生していることを示している。
図１８には、閉ループ制御の下でのＳＩ運転からの切り替えに続くＨＣＣＩ運転の最初の４つのサイクルにわたるシリンダ内の圧力のグラフ３１０が示されている。この図１８では、ライン３１２が第１のサイクル、ライン３１４は第２のサイクル、ライン３１６は第３のサイクル、ライン３１８は第４のサイクルである。図１８は、図１７よりもノッキングが低減していることを示している。
したがって制御器１２４は、開ループ制御を用いた応答を超える大きな改善を提供する。図１６は、所望のＣＡ50のアンダーシュートを示している（ライン２８４の真下のライン２８０）。必要に応じてこのアンダーシュートは、より積極的なフィードバック制御器によって、あるいは、さらなるバルブタイミング制御の導入によって、低減することが可能である。
さらなる制御ストラテジを検証するために、システム１００は今度は１５００ｒｐｍのエンジン回転速度と２.３バールのＮＭＥＰ負荷のもとで試験がなされた。この点において制御器１２４は何らかの調整なしで実施されている。その結果は図１９に示されている。図１９には、閉ループ制御のためのＣＡ50を示したライン３３０と、それに対して開ループ制御のためのＣＡ50を示したライン３３２と、所望のＣＡ50を示したライン３３４とが含まれている。さらにライン３３８は、閉ループ制御のためのＮＭＥＰを示し、それに対してライン３４０は、開ループ制御のためのＮＭＥＰを示している。最後にライン３４２は、閉ループ制御のためのＳＯＩを示し、それに対してライン３４４は開ループ制御のためのＳＯＩを示している。図１９の条件下であっても、制御器は負荷変動の低減を伴ってスムーズな遷移を提供している。
図１９の実施例では、閉ループ制御器１２４により提供される応答は、開ループ制御の場合と類似している。しかしながら制御器１２４は、サイクル１０から始まる噴射タイミングの早期側への移動によって、より望ましい遷移応答を達成し、さらに開ループ制御で見られるサイクル１１での非常に遅い位相も回避している。これらの結果は、制御器１２４がＳＩモードからＨＣＣＩモードへの堅固なモード切り替えを十分に達成できることを示している。
従って前記制御器１２４は、非常に早い位相（これはノッキングを引き起こす可能性がある）と非常に遅い位相（これは失火を引き起こす可能性がある）のいずれかを伴うサイクルを防止し、開ループ制御システムよりも狭い範囲内に燃焼位相を維持する。制御器１２４の性能は、パラメータ化された場所から大きく異なる動作点での何らかの調整を必要とすることなく、制御ストラテジの堅牢性を示している。
上述の制御システムによれば、
１）燃焼モード切り替え動特性からのバルブ切り替え動特性の切り離しが提供され、それによって全体としてシンプルな制御構造が可能となり、
２）燃料噴射タイミングのようなアクチュエータの閉ループ制御が提供され、それによって遷移中のサイクルごと及びシリンダ個別の堅固な制御が可能となり、
３）ＳＩモードとＨＣＣＩモードの間の遷移中の切り替え制御／推定スキーマの使用が提供され、それによって、ＳＩモード、ＨＣＣＩモード、自己着火開始前の最後のサイクルのための中間遷移モード、として定義される３つの異なるモードが存在し、
４）遷移サイクル用に設計された推定器が提供され、それがＳＩ推定器とＨＣＣＩ推定器の両要素に組み込まれ、さらに
５）混合気温度のような状態量に基づく閾値を介して、自己着火前の遷移サイクルの開始を推定するための構想が提供される。
本発明は、図面に示され前述の説明において詳細に説明してきたが、同じような特徴はあくまでも例示的なものであって、限定と捕らえるべきではない。ここでは好適な実施形態のみを提示してきたが、本発明の趣旨を逸脱しない限り、あらゆる変更、改善およびさらなる応用が保護されることが望まれる。例えば本開示は、ＳＩモードとＨＣＣＩモードの間の、スパーク支援された圧縮着火（ＳＡＣＩ）などのような他の中間モードへの移行に対しても有意である。

Claims (16)

  1. 第１のシリンダと、
    前記第１のシリンダ内へのガス流を制御するように構成された第１の吸気バルブと、
    前記第１のシリンダからのガス流を制御するように構成された第１の排気バルブと、
    前記第１のシリンダ内への燃料流を制御するように構成された第１のスロットルと、
    複数のプログラム命令が格納されたメモリと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブ及び前記第１のスロットル及び前記メモリに動作可能に接続されているプロセッサとを含んでいる、エンジンシステムであって、
    前記プロセッサは、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、火花点火（ＳＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御し、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、前記ＳＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第１のスパークを活性化し、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御し、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第２のスパークを活性化し、
    前記第２のスパークを活性化した後で、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルで制御している間に前記第１のスロットルの噴射開始（ＳＯＩ）タイミングを、ＨＣＣＩＳＯＩモードで制御する、前記プログラム命令を実行するように構成されており、
    前記プロセッサは、さらに、順次連続するサイクルで、前記第１のスパークを活性化し、前記第２のスパークを活性化し、前記第１のスロットルのＳＯＩタイミングをＨＣＣＩＳＯＩモードで制御するように構成されている、
    ことを特徴とするエンジンシステム。
  2. 第１のシリンダと、
    前記第１のシリンダ内へのガス流を制御するように構成された第１の吸気バルブと、
    前記第１のシリンダからのガス流を制御するように構成された第１の排気バルブと、
    前記第１のシリンダ内への燃料流を制御するように構成された第１のスロットルと、
    複数のプログラム命令が格納されたメモリと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブ及び前記第１のスロットル及び前記メモリに動作可能に接続されているプロセッサとを含んでいる、エンジンシステムであって、
    前記プロセッサは、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、火花点火（ＳＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御し、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、前記ＳＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第１のスパークを活性化し、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御し、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第２のスパークを活性化し、
    前記第２のスパークを活性化した後で、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルで制御している間に前記第１のスロットルの噴射開始（ＳＯＩ）タイミングを、ＨＣＣＩＳＯＩモードで制御する、前記プログラム命令を実行するように構成されており、
    前記プロセッサは、さらに、
    推定器からＳＩエンジン状態を取得し、
    前記取得したＳＩエンジン状態を用いて第１のフィードバック機能を閉ループ制御器により実行し、
    前記第１のフィードバック機能に基づいて前記第２のスパークを活性化させることで前記第２のスパークを活性化するように構成されている、エンジンシステム。
  3. 前記プロセッサは、さらに、
    前記閉ループ制御器によって第１のフィードフォワード機能を実行し、
    前記第１のフィードフォワード機能に基づいて前記第２のスパークを活性化させることで前記第２のスパークを活性化するように構成されている、請求項２記載のエンジンシステム。
  4. 前記第１のフィードバック機能は、線形ＳＩモデルを含む、請求項３記載のエンジンシステム。
  5. 前記第１のフィードフォワード機能は、線形ＨＣＣＩモデルである、請求項４記載のエンジンシステム。
  6. 前記線形ＳＩモデルは、第１の線形化点の関数である行列によって与えられ、
    前記第１の線形化点は、定常状態ＳＩ動作点周りで正規化された値である、請求項５記載のエンジンシステム。
  7. 前記線形ＨＣＣＩモデルは、第２の線形化点の関数である行列によって与えられ、
    前記第２の線形化点は、定常状態ＨＣＣＩ動作点周りで正規化された値である、請求項６記載のエンジンシステム。
  8. 第１のシリンダと、
    前記第１のシリンダ内へのガス流を制御するように構成された第１の吸気バルブと、
    前記第１のシリンダからのガス流を制御するように構成された第１の排気バルブと、
    前記第１のシリンダ内への燃料流を制御するように構成された第１のスロットルと、
    複数のプログラム命令が格納されたメモリと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブ及び前記第１のスロットル及び前記メモリに動作可能に接続されているプロセッサとを含んでいる、エンジンシステムであって、
    前記プロセッサは、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、火花点火（ＳＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御し、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、前記ＳＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第１のスパークを活性化し、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御し、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを、前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第２のスパークを活性化し、
    前記第２のスパークを活性化した後で、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルで制御している間に前記第１のスロットルの噴射開始（ＳＯＩ）タイミングを、ＨＣＣＩＳＯＩモードで制御する、前記プログラム命令を実行するように構成されており、
    前記プロセッサは、さらに、
    前記第１のスパークを活性化する前に第１のクランク角度（ＣＡＤ）で燃料を噴射し、
    前記第２のスパークを活性化する前に第２のクランク角度（ＣＡＤ）で燃料を噴射する、前記プログラム命令を実行するように構成されており、
    前記第１のスパークと前記第２のスパークとが連続するサイクルで活性化されており、かつ、前記第２のクランク角度（ＣＡＤ）は前記第１のクランク角度（ＣＡＤ）よりも小さい、エンジンシステム。
  9. エンジンシステムを制御する方法であって、
    第１の吸気バルブと第１の排気バルブと第１のスロットルとを備えた第１のシリンダを提供するステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを火花点火（ＳＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御するステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＳＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第１のスパークを活性化させるステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御するステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第２のスパークを活性化させるステップと、
    前記第２のスパークを活性化した後で、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルで制御している間に、前記第１のスロットルの噴射開始（ＳＯＩ）タイミングをＨＣＣＩＳＯＩモードで制御するステップとを、
    含んでおり、
    前記第１のスパークを活性化させるステップと、前記第２のスパークを活性化させるステップと、前記第１のスロットルの前記ＳＯＩタイミングをＨＣＣＩＳＯＩモードで制御するステップとを順次連続するサイクルで行う、
    ことを特徴とする方法。
  10. エンジンシステムを制御する方法であって、
    第１の吸気バルブと第１の排気バルブと第１のスロットルとを備えた第１のシリンダを提供するステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを火花点火（ＳＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御するステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＳＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第１のスパークを活性化させるステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御するステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第２のスパークを活性化させるステップと、
    前記第２のスパークを活性化した後で、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルで制御している間に、前記第１のスロットルの噴射開始（ＳＯＩ）タイミングをＨＣＣＩＳＯＩモードで制御するステップとを、
    含んでおり、
    前記第２のスパークを活性化させるステップは、
    推定器からＳＩエンジン状態を取得するステップと、
    前記取得したＳＩエンジン状態を用いて閉ループ制御器により第１のフィードバック機能を実行するステップと、
    前記第１のフィードバック機能に基づいて前記第２のスパークを活性化させるステップとを含んでいる、方法。
  11. 前記第２のスパークを活性化させるステップは、さらに、
    前記閉ループ制御器によって第１のフィードフォワード機能を実行するステップと、
    前記第１のフィードフォワード機能に基づいて前記第２のスパークを活性化させるステップとを含んでいる、請求項１０記載の方法。
  12. 前記第１のフィードバック機能は、線形ＳＩモデルを含んでいる、請求項１１記載の方法。
  13. 前記第１のフィードフォワード機能は、線形ＨＣＣＩモデルである、請求項１２記載の方法。
  14. 前記線形ＳＩモデルは、第１の線形化点の関数である行列によって与えられ、前記第１の線形化点は、定常状態ＳＩ動作点周りで正規化された値である、請求項１３記載の方法。
  15. 前記線形ＨＣＣＩモデルは、第２の線形化点の関数である行列によって与えられ、前記第２の線形化点は、定常状態ＨＣＣＩ動作点周りで正規化された値である、請求項１４記載の方法。
  16. エンジンシステムを制御する方法であって、
    第１の吸気バルブと第１の排気バルブと第１のスロットルとを備えた第１のシリンダを提供するステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを火花点火（ＳＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御するステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＳＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第１のスパークを活性化させるステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御するステップと、
    前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルに従って制御している間に前記第１のシリンダ内で第２のスパークを活性化させるステップと、
    前記第２のスパークを活性化した後で、前記第１の吸気バルブ及び前記第１の排気バルブを前記ＨＣＣＩバルブリフトプロファイルで制御している間に、前記第１のスロットルの噴射開始（ＳＯＩ）タイミングをＨＣＣＩＳＯＩモードで制御するステップとを、
    含んでおり、
    前記方法は、
    前記第１のスパークを活性化する前に第１のクランク角度（ＣＡＤ）で燃料を噴射するステップと、前記第２のスパークを活性化する前に第２のクランク角度（ＣＡＤ）で燃料を噴射するステップとをさらに含み、前記第１のスパークと前記第２のスパークは連続するサイクルで活性化され、かつ、前記第２のクランク角度（ＣＡＤ）は前記第１のクランク角度（ＣＡＤ）よりも小さい、方法。
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