JP6331229B2

JP6331229B2 - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP6331229B2
Application number: JP2016065810A
Authority: JP
Inventors: 孝幸疋田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: JP2017180189A

Description

本発明は、エンジンの制御装置に係わり、特に、吸気を気筒内に導入するための吸気弁と、排気を気筒内から排出するための排気弁と、燃料を気筒内に直接噴射するための燃料噴射弁とを備え、所定の運転領域において圧縮自己着火燃焼を行うエンジンの制御装置に関する。

従来、予混合圧縮自己着火（Homogeneous-Charge Compression Ignition：ＨＣＣＩ）による圧縮着火燃焼を行うエンジンが知られている。このＨＣＣＩ燃焼を行うエンジンでは、気筒の排気行程から吸気行程において吸気弁及び排気弁の双方を閉じる負のオーバーラップ期間を設けて、既燃ガスを気筒内に残留させるとともに、吸気行程中に排気弁を開閉して既燃ガスを気筒内に逆流させることにより燃焼室内の混合ガスの温度を上昇させる、いわゆる内部ＥＧＲシステムを利用している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１７４４３２号公報

ところで、ＨＣＣＩ燃焼を行うエンジンでは、軽負荷運転時、負荷に応じて燃料噴射量が減少すると、気筒内の燃焼ガス温度が低下し、ＨＣＣＩ燃焼の燃焼安定性が悪化する。軽負荷時のＨＣＣＩ燃焼の燃焼安定性を向上するには、内部ＥＧＲ率を高めるか（例えば８０％）、あるいはエンジンの圧縮比を高めることにより、燃焼室内の混合ガス温度を上昇させるか必要がある。

しかしながら、内部ＥＧＲ率の制御は、可変バルブタイミング機構により排気弁の閉弁時期及び吸気弁の開弁時期を制御して負のオーバーラップ期間を設けるとともに、可変バルブリフト機構を用いて吸気弁の開弁期間中に排気弁を開弁させるものであり、内部ＥＧＲ率の制御応答性は可変バルブタイミング機構や可変バルブリフト機構の応答性に依存するので、制御応答性を満足させながら軽負荷時における内部ＥＧＲ率を高めることは困難である。
また、エンジンの圧縮比を高めた場合、高負荷時にプリイグニッション等の異常燃焼が発生し易くなってしまう。

また、冷間時においてもＨＣＣＩ燃焼の燃焼安定性が悪化するので、冷間始動直後は従来のように火花点火（Spark Ignition：ＳＩ）燃焼を行う必要があり、冷間時の燃費をＨＣＣＩ燃焼により向上させることができない。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、軽負荷運転時や冷間時においても内部ＥＧＲ率を高めたりエンジンの圧縮比を高めたりすることなく、ＨＣＣＩ燃焼の燃焼安定性を確保することができる、エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のエンジンの制御装置は、吸気を気筒内に導入するための吸気弁と、排気を気筒内から排出するための排気弁と、燃料を気筒内に直接噴射するための燃料噴射弁と、気筒内に往復動可能に設けられたピストンと、を備え、所定の運転領域において圧縮自己着火燃焼を行うエンジンの制御装置であって、吸排気弁のリフト量を変化させる可変バルブ機構と、車両の運転状態に基づき目標トルクを決定する目標トルク決定手段と、エンジンの運転状態が、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、エンジンの１回のサイクル中に、吸気行程において吸気弁を開き、吸気行程に続きピストンが上昇及び下降を２回繰り返す間吸気弁及び排気弁を閉じることにより圧縮行程及び膨張行程を連続して２回繰り返し、２回目の膨張行程に続く排気行程において排気弁を開くように可変バルブ機構を制御する可変バルブ機構制御手段と、エンジンの運転状態が、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ、所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、吸気行程の開始から次のサイクルの吸気行程の開始までの間にエンジンが出力する平均トルクが目標トルクとなるように燃料噴射量を決定し、１回目の上記圧縮行程中および２回目の圧縮行程中に燃料を上記燃料噴射弁から噴射させ、且つ、圧縮行程中の燃料噴射量の合計が決定した燃料噴射量となるように燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、を有し、エンジンの運転状態が、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ、所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、可変バルブ機構制御手段は、排気行程に続きピストンが下降する間及び上昇する間のそれぞれにおいて吸気弁及び排気弁の一方又は両方を開き、ピストンの上昇に続いて次のサイクルの吸気行程が開始すると吸気弁を開くように上記可変バルブ機構を制御し、燃料噴射制御手段は、吸気行程の開始から次のサイクルの吸気行程の開始までにピストンが４往復する間にエンジンが出力する平均トルクが目標トルクとなるように燃料噴射量を決定する、こと特徴とする。
このように構成された本発明においては、可変バルブ機構制御手段は、エンジンの運転状態が、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、エンジンの１回のサイクル中に、吸気行程において吸気弁を開き、吸気行程に続きピストン１４が上昇及び下降を２回繰り返す間吸気弁及び排気弁を閉じることにより圧縮行程及び膨張行程を連続して２回繰り返し、２回目の膨張行程に続く排気行程において排気弁を開くように可変バルブ機構を制御し、燃料噴射制御手段は、少なくとも１回目の圧縮行程中に燃料を燃料噴射弁から噴射させ、且つ、圧縮行程中の燃料噴射量の合計が、エンジンが１サイクル中に出力する平均トルクが目標トルクとなるように決定された燃料噴射量となるように燃料噴射弁を制御するので、１回目の圧縮行程及び膨張行程の間に、１回目の圧縮行程中に噴射した燃料と空気との低温酸化反応を進行させて燃焼室内の混合気の温度を上昇させると共に燃料と空気との反応時間を確保することができ、これにより、２回目の圧縮行程における圧縮自己着火燃焼の燃焼安定性を向上することができる。
したがって、軽負荷運転時や冷間時においても、内部ＥＧＲ率を高めたりエンジンの圧縮比を高めたりすることなくＨＣＣＩ燃焼の燃焼安定性を確保することができる。
さらに、エンジンの運転状態が、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ、所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、１回のサイクルがピストンの４往復により行われるようにエンジンを運転することができる。

また、本発明において、好ましくは、エンジンの運転状態が、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ、所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、燃料噴射制御手段は、１回のサイクルにおける２回目の圧縮行程中の燃料噴射量を１回目の圧縮行程中の燃料噴射量よりも多くする。
このように構成された本発明においては、エンジンの運転状態が、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ、所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、２回目の圧縮行程中の燃料噴射量を１回目の圧縮行程中の燃料噴射量よりも多くするので、２回目の圧縮行程及び膨張行程における圧縮自己着火燃焼の燃焼安定性を向上させるために燃料と空気の低温酸化反応を進行させるのに必要なだけの燃料を１回目の圧縮行程で噴射させつつ、残りの燃料を２回目の圧縮行程で圧縮自己着火により燃焼させることができ、これにより、燃料を効率良く燃焼させることができる。

本発明によるエンジンの制御装置によれば、軽負荷運転時や冷間時においても内部ＥＧＲ率を高めたりエンジンの圧縮比を高めたりすることなく、ＨＣＣＩ燃焼の燃焼安定性を確保することができる。

本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。本発明の実施形態によるエンジンの制御装置に関する電気的構成を示すブロック図である。本発明の実施形態によるエンジンの運転領域の説明図である。本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が実行するエンジン制御処理のフローチャートである。本発明の実施形態による吸気弁及び排気弁のリフト量、燃料噴射時期、及び筒内圧力を示すタイムチャートであり、ＨＣＣＩ領域においてエンジンが温間状態且つエンジン負荷が所定負荷以上である場合を示している。本発明の実施形態による吸気弁及び排気弁のリフト量、燃料噴射時期、及び筒内圧力を示すタイムチャートであり、ＨＣＣＩ領域においてエンジンが冷間状態又はエンジン負荷が所定負荷未満である場合を示している。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を説明する。

［装置構成］
図１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジン（エンジン本体）１の概略構成を示し、図２は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を示すブロック図である。

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ガソリンエンジンである。エンジン１は、複数の気筒１８が設けられたシリンダブロック１１（なお、図１では、１つの気筒のみを図示するが、例えば４つの気筒が直列に設けられる）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、潤滑油が貯留されたオイルパン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、ディーゼルエンジンでのリエントラント型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を画定する。なお、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、１５以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。なお、幾何学的圧縮比は１５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バルブリフト機構（図２参照。以下、ＶＶＬ（Variable Valve Lift）と称する）７１と、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することが可能な位相可変機構（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）と称する）７５と、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２つ有する第２カムとの、カムプロフィールの異なる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２２に伝達するカムシフティング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。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。具体的には、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。なお、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。

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図示は省略する。排気弁２２は、ＶＶＴ７５によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。

ＶＶＬ７１及びＶＶＴ７５を備えた排気側の動弁系と同様に、吸気側には、図２に示すように、ＶＶＬ７４とＶＶＴ７２とが設けられている。吸気側のＶＶＬ７４は、排気側のＶＶＬ７１とは異なる。吸気側のＶＶＬ７４は、吸気弁２１のリフト量を相対的に大きくする大リフトカムと、吸気弁２１のリフト量を相対的に小さくする小リフトカムとの、カムプロフィールの異なる２種類のカム、及び、大リフトカム及び小リフト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に伝達するカムシフティング機構を含んで構成されている。ＶＶＬ７４が大リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達しているときには、吸気弁２１は、相対的に大きいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も長くなる。これに対し、ＶＶＬ７４が小リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達しているときには、吸気弁２１は、相対的に小さいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も短くなる。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。

吸気側のＶＶＴ７２は、排気側の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。吸気弁２１もまた、ＶＶＴ７２によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。なお、吸気側にＶＶＬ７４を適用せずに、ＶＶＴ７２のみを適用し、吸気弁２１の開弁時期及び閉弁時期のみを変更するようにしてもよい。

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が取り付けられている。インジェクタ６７は、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。インジェクタ６７は、エンジン１の運転状態に応じて設定され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、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、インジェクタ６７は、燃料噴霧が、燃焼室１９の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。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。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、混合気形成期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。なお、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採用してもよい。

図外の燃料タンクとインジェクタ６７との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含みかつ、インジェクタ６７に、比較的高い燃料圧力で燃料を供給することが可能な燃料供給システム６２が介設されている。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、比較的高い燃料圧力で蓄えることが可能である。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インジェクタ６７の噴口から噴射される。ここで、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、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燃料供給システム６２は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力の燃料を、インジェクタ６７に供給することを可能にする。燃料圧力は、最高で１２０ＭＰａ程度に設定してもよい。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。なお、燃料供給システム６２は、この構成に限定されるものではない。

シリンダヘッド１２にはまた、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。点火プラグ２５は、この例では、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。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内に臨んで配置される。

エンジン１の一側面には、図１に示すように、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、その下流側には、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６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、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におけるスロットル弁３６とサージタンク３３との間には、気筒１８に導入する新気にオゾンを添加するオゾン発生器（Ｏ₃発生器）７６が介設されている。オゾン発生器７６は、吸気に含まれる酸素を原料ガスとして、無声放電によりオゾンを生成する。つまり、電極に対して、図外の電源から高周波交流高電圧を印加することにより、放電間隙において無声放電が発生し、そこを通過する空気（つまり、吸気）がオゾン化される。こうしてオゾンが添加された吸気は、サージタンク３３から吸気ポート１６を介して、各気筒１８内に導入される。オゾン発生器７６の電極に対する電圧の印加態様を変更する、及び／又は、電圧を印加する電極の数を変更することによって、オゾン発生器７６を通過した後の、吸気中のオゾン濃度を調整することが可能である。ＰＣＭ１０は、こうしたオゾン発生器７６に対する制御を通じて、気筒１８内に導入する吸気中のオゾン濃度の調整を行う。

排気通路４０の上流側の部分は、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が配設されている。

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、ＳＷ２、ＳＷ４〜ＳＷ１８の検出信号が入力される。具体的には、ＰＣＭ１０には、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の検出信号と、新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２の検出信号と、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の検出信号と、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の検出信号と、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の検出信号と、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の検出信号と、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の検出信号と、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の検出信号と、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１の検出信号と、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の検出信号と、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の検出信号と、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４、ＳＷ１５の検出信号と、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、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の検出信号と、エンジン１の油圧を検出する油圧センサＳＷ１７の検出信号と、エンジン１の油温を検出する油温センサＳＷ１８の検出信号と、が入力される。

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、これに応じてインジェクタ６７、点火プラグ２５、吸気弁側のＶＶＴ７２及びＶＶＬ７４、排気弁側のＶＶＴ７５及びＶＶＬ７１、燃料供給システム６２、各種の弁（スロットル弁３６、ＥＧＲ弁５１１）のアクチュエータ、並びに、オゾン発生器７６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。詳細は後述するが、ＰＣＭ１０は、本発明におけるエンジンの制御装置に相当し、目標トルク決定手段、可変バルブ機構制御手段及び燃料噴射制御手段として機能する。

［運転領域］
次に、図３を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの運転領域について説明する。図３は、エンジン１の運転制御マップ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性能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、予混合圧縮自己着火（Homogeneous-Charge Compression Ignition：ＨＣＣＩ）による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。そこで、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を利用した強制点火燃焼（ここでは火花点火燃焼（Spark Ignition：ＳＩ））に切り替える。このように、このエンジン１は、エンジン１の運転状態、特にエンジン１の負荷に応じて、予混合圧縮自己着火燃焼を行うＨＣＣＩモードと、火花点火燃焼を行うＳＩモードとを切り替えるように構成されている。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。

［エンジン制御］
次に、図４を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が実行するエンジン制御について説明する。図４は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が実行するエンジン制御処理のフローチャートである。

図４のエンジン制御処理は、車両のイグニッションがオンにされ、エンジンの制御装置に電源が投入された場合に起動され、繰り返し実行される。
エンジン制御処理が開始されると、図４に示すように、ステップＳ１において、ＰＣＭ１０は車両の各種情報を取得する。具体的には、ＰＣＭ１０は、水温センサＳＷ１１が検出したエンジン水温、クランク角センサＳＷ１２が検出したクランク角に基づくエンジン回転数、アクセル開度センサＳＷ１３が検出したアクセル開度、車速センサが検出した車速、車両の変速機に現在設定されているギヤ段等を含む、上述した各種センサＳＷ１、２、４〜１８が出力した検出信号を取得する。

次にステップＳ２において、ＰＣＭ１０は、ステップＳ１において取得した情報に基づき、目標加速度を設定する。例えば、ＰＣＭ１０は、種々の車速及び種々のギヤ段について規定された加速度特性マップ（予め作成されてメモリなどに記憶されている）の中から、現在の車速及びギヤ段に対応する加速度特性マップを選択し、選択した加速度特性マップを参照して現在のアクセル開度に対応する目標加速度を決定する。

次に、ステップＳ３において、ＰＣＭ１０は、ステップＳ２において決定した目標加速度を実現するためのエンジン１の目標トルクを決定する。この場合、ＰＣＭ１０は、現在の車速、ギヤ段、路面勾配、路面μなどに基づき、エンジン１が出力可能なトルクの範囲内で、目標トルクを決定する。

次にステップＳ４において、ＰＣＭ１０は、ステップＳ１において取得した情報に基づき、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域であるか否かを判定する。その結果、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域ではない場合（エンジン１の運転領域がＳＩ領域である場合）、ステップＳ５に進み、ＰＣＭ１０は、ＳＩモードによる運転を行うためのＳＩ燃焼制御を実施する。このＳＩ燃焼制御においては、ＳＩ燃焼による運転を行うエンジンにおける公知の制御を適宜採用することができる。

一方、ステップＳ４において、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域である場合、ステップＳ６に進み、ＰＣＭ１０は、エンジン１の負荷が所定負荷Ｌ以上か否かを判定する。この所定負荷Ｌは、ＨＣＣＩ燃焼の燃焼安定性が良好に保たれる下限値として設定される。

ステップＳ６において、エンジン１の負荷が所定負荷Ｌ以上である場合、ステップＳ７に進み、ＰＣＭ１０は、ステップＳ１において取得したエンジン水温に基づき、エンジン１が温間状態か否かを判定する。例えば、ＰＣＭ１０は、エンジン水温が６０℃以上である場合に温間状態であると判定する。

その結果、エンジン１が温間状態である場合、ステップＳ８に進み、ＰＣＭ１０は、エンジン１の１回のサイクル（吸気行程の開始から次のサイクルの吸気行程の開始まで）がピストン１４の２往復（すなわち４ストローク）により行われるモード（以下、必要に応じて「４ストロークモード」と称する）でエンジン１を運転することとし、エンジン１の運転モードが４ストロークモードである場合における吸気弁２１及び排気弁２２の開閉時期を決定する。具体的には、ＰＣＭ１０は、ピストン１４が上死点から下死点まで下降する吸気行程において吸気弁２１を開き、吸気行程に続きピストン１４が上昇する圧縮行程と、圧縮行程に続きピストン１４が下降する膨張行程の間は吸気弁２１及び排気弁２２を閉じ、膨張行程に続きピストン１４が上昇する排気行程において排気弁２２を開くように、吸気弁２１及び排気弁２２の開閉時期を決定する。

次に、ステップＳ９において、ＰＣＭ１０は、１サイクル４ストロークの間にエンジン１が出力する平均トルクが目標トルクとなるように燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定する。
例えば、ＰＣＭ１０は、１サイクル４ストロークの間にエンジン１が出力する平均トルクを目標トルクとするための燃料噴射量を、目標トルク及びエンジン回転数に対応付けて規定した１サイクル４ストローク用燃料噴射量マップ（予め作成されてメモリなどに記憶されている）を参照し、現在のエンジン回転数と目標トルクに対応する燃料噴射量を決定する。また、ＰＣＭ１０は、燃料噴射時期を、圧縮行程の期間内に設定する。

また、ステップＳ６において、エンジン１の負荷が所定負荷Ｌ以上ではない（所定負荷Ｌ未満である）場合、又は、ステップＳ７において、エンジン１が温間状態ではない（冷間状態である）場合、ステップＳ１０に進み、ＰＣＭ１０は、エンジン１の１回のサイクルがピストン１４の４往復（すなわち８ストローク）により行われるモード（以下、必要に応じて「８ストロークモード」と称する）でエンジン１を運転することとし、エンジン１の運転モードが８ストロークモードである場合における吸気弁２１及び排気弁２２の開閉時期を決定する。具体的には、ＰＣＭ１０は、ピストン１４が上死点から下死点まで下降する吸気行程において吸気弁２１を開き、吸気行程に続きピストン１４が上昇及び下降を２回繰り返す間、すなわち圧縮行程及び膨張行程を連続して２回繰り返す間吸気弁２１及び排気弁２２を閉じ、２回目の膨張行程に続きピストン１４が上昇する排気行程において排気弁２２を開き、さらに排気行程に続きピストン１４が下降する１回目の休止行程間及び１回目の休止行程に続きピストン１４が上昇する２回目の休止行程のそれぞれにおいて排気弁２２を開くように、吸気弁２１及び排気弁２２の開閉時期を決定する。

次に、ステップＳ１１において、ＰＣＭ１０は、１サイクル８ストロークの間にエンジン１が出力する平均トルクが目標トルクとなるように燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定する。
例えば、ＰＣＭ１０は、１サイクル８ストロークの間にエンジン１が出力する平均トルクを目標トルクとするための燃料噴射量を、目標トルク及びエンジン回転数に対応付けて規定した１サイクル８ストローク用燃料噴射量マップ（予め作成されてメモリなどに記憶されている）を参照し、現在のエンジン回転数と目標トルクに対応する燃料噴射量を決定する。また、ＰＣＭ１０は、燃料噴射時期を、１回目の圧縮行程及び２回目の圧縮行程の期間内に設定する。

ステップＳ９又はＳ１１の後、ステップＳ１２において、ＰＣＭ１０は、ステップＳ８又はＳ１０において決定した開閉時期により吸気弁２１及び排気弁２２を開閉するように、吸気側のＶＶＴ７２、ＶＶＬ７４及び排気側のＶＶＴ７５、ＶＶＬ７１を制御するとともに、ステップＳ９又はＳ１１において決定した燃料噴射量及び燃料噴射時期にインジェクタ６７を制御する。
ステップＳ５又はＳ１２の後、ＰＣＭ１０はエンジン制御処理を終了する。

［エンジンの動作］
次に、図５及び図６により、本発明の実施形態によるエンジン１の動作を説明する。図５は、本発明の実施形態による吸気弁２１及び排気弁２２のリフト量、燃料噴射時期、及び筒内圧力を示すタイムチャートであり、ＨＣＣＩ領域においてエンジン１が温間状態且つエンジン負荷が所定負荷以上である場合を示している。また、図６は、本発明の実施形態による吸気弁２１及び排気弁２２のリフト量、燃料噴射時期、及び筒内圧力を示すタイムチャートであり、ＨＣＣＩ領域においてエンジン１が冷間状態又はエンジン負荷が所定負荷未満である場合を示している。
図５及び図６において吸気弁２１及び排気弁２２のリフト量を示す線図の内、実線は吸気弁２１のリフト量を示し、点線は排気弁２２のリフト量を示している。

図４を参照して説明したように、エンジン制御処理において、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域であり、エンジン１の負荷が所定負荷Ｌ以上であり、且つ、エンジン１が温間状態にある場合、ＰＣＭ１０は、エンジン１を４ストロークモードで運転する。
すなわち、図５に示すように、エンジン１の１サイクルは、ピストン１４が上死点から下死点まで下降する吸気行程、吸気行程に続きピストン１４が上死点まで上昇する圧縮行程、圧縮行程に続きピストン１４が下死点まで下降する膨張行程、及び、膨張行程に続きピストン１４が上死点まで上昇する排気行程の４つの行程（ストローク）を含んでいる。

吸気弁２１は、上記の４つの行程の内、吸気行程において開き、他の３行程では閉じている。また、排気弁２２は、排気行程において開き、他の３行程では閉じるようになっている。但し、図５に例示した運転状態においては、排気弁２２の閉時期は吸気行程中に設定されており、排気ポート１７から排気された既燃ガスを気筒１８内に逆流させ、燃焼室１９内の混合ガスの温度を上昇させるようになっている。
また、インジェクタ６７は、図４のエンジン制御処理のステップＳ９において決定した燃料噴射量の燃料を、圧縮行程中に噴射する。

この４ストロークモードにおいては、吸気行程開始後まで排気弁２２が開いており且つ吸気行程中に吸気弁２１が開くことにより、燃焼室１９内には吸気及び既燃ガスが導入される。続いて、圧縮工程においてインジェクタ６７により燃焼室１９内に噴射された燃料は、吸気行程において燃焼室１９内に導入された吸気及び既燃ガスと混合され、圧縮行程が進むにつれて燃焼室１９内の混合気の温度及び圧力が高まると圧縮自己着火による燃焼が発生する。この燃焼により発生した高温高圧の燃焼ガスが、膨張行程においてピストン１４を押し下げることにより、エンジン１の動力が得られる。その後、排気行程において排気弁２２が開くと、燃焼室１９内の既燃ガスは排気ポート１７から排気される。

一方、エンジン制御処理において、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域であり、且つ、エンジン１の負荷が所定負荷Ｌ未満であるか、又は、エンジン１が冷間状態にある場合、ＰＣＭ１０は、エンジン１を１サイクル８ストロークモードで運転する。
この場合、図６に示すように、エンジン１の１サイクルは、ピストン１４が上死点から下死点まで下降する吸気行程、吸気行程に続きピストン１４が上死点まで上昇する１回目の圧縮行程（以下、必要に応じて「圧縮行程１」と称する）、圧縮行程１に続きピストン１４が下死点まで下降する１回目の膨張行程（以下、必要に応じて「膨張行程１」と称する）、膨張行程１に続きピストン１４が上死点まで上昇する２回目の圧縮行程（以下、必要に応じて「圧縮行程２」と称する）、圧縮行程２に続きピストン１４が下死点まで下降する２回目の膨張行程（以下、必要に応じて「膨張行程２」と称する）、膨張行程２に続きピストン１４が上死点まで上昇する排気行程、排気行程に続きピストン１４が下死点まで下降する１回目の休止行程（以下、必要に応じて「休止行程１」と称する）、及び、休止行程１に続きピストン１４が上死点まで上昇する２回目の休止行程（以下、必要に応じて「休止行程２」と称する）の８つの行程（ストローク）を含んでいる。

吸気弁２１は、上記の８つの行程の内、吸気行程において開き、他の７行程では閉じている。また、排気弁２２は、排気行程、休止行程１、及び休止行程２において開き、他の５行程では閉じるようになっている。
また、インジェクタ６７は、図４のエンジン制御処理のステップＳ１１において決定した燃料噴射量の燃料を、圧縮行程１及び圧縮行程２において噴射する。各圧縮行程における燃料噴射量は、各圧縮行程における燃料噴射量の合計がエンジン制御処理のステップＳ１１において決定した燃料噴射量となるように設定される。また、圧縮行程２における燃料噴射量は、圧縮行程１における燃料噴射量よりも多いことが好ましい。

この８ストロークモードにおいては、吸気行程中に吸気弁２１が開くことにより、燃焼室１９内に吸気が導入される。続いて、圧縮工程１においてインジェクタ６７により燃焼室１９内に噴射された燃料は、吸気行程において燃焼室１９内に導入された吸気と混合される。圧縮行程１が進むにつれて燃焼室１９内の混合気の温度及び圧力が高まると、燃料と空気とによる低温酸化反応が進行して混合気の温度及び圧力がさらに上昇する。これにより、膨張行程１においてピストン１４が下死点まで下降したときの燃焼室１９内の温度及び圧力は、圧縮行程１の開始時における燃焼室１９内の温度及び圧力よりも高くなっている。圧縮行程１の低温酸化反応により発生した反応ガスが膨張行程１においてピストン１４を押し下げることにより、エンジン１の動力の一部が得られる。

続いて、圧縮行程２においてインジェクタ６７により燃焼室１９内に噴射された残りの燃料は、燃焼室内の既燃ガス、未反応の吸気及び未燃燃料と混合される。圧縮行程２が進むにつれて燃焼室１９内の混合気の温度及び圧力が高まると圧縮自己着火による燃焼が発生する。上述したように、圧縮行程１及び膨張行程１の間に、圧縮行程１において噴射された燃料と空気との低温酸化反応が進行して燃焼室１９内の混合気の温度が上昇しているので、圧縮行程２における圧縮自己着火燃焼の燃焼安定性は良好である。圧縮行程２の燃焼により発生した高温高圧の燃焼ガスが、膨張行程２においてピストン１４を押し下げることにより、エンジン１の動力の一部が得られる。その後、排気行程において排気弁２２が開くと、燃焼室１９内の既燃ガスは排気ポート１７から排気される。さらに、排気行程後の休止行程１及び休止行程２のそれぞれにおいて排気弁２２が開く。

次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
まず、上述した実施形態では、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域であり、且つ、エンジン１の負荷が所定負荷Ｌ未満であるか、又は、エンジン１が冷間状態にある場合、ＰＣＭ１０は、エンジン１を１サイクル８ストロークモードで運転すると説明したが、エンジン１の１回のサイクルがピストン１４の３往復（すなわち６ストローク）により行われるモード（以下、必要に応じて「６ストロークモード」と称する）でエンジン１を運転するようにしてもよい。この６ストロークモードは、上記の８ストロークモードにおける休止行程１及び休止行程２を除いた吸気行程から排気行程までの６つの行程を含んでいる。この場合、ＰＣＭ１０は、１サイクル６ストロークの間にエンジン１が出力する平均トルクが目標トルクとなるように燃料噴射量を決定する。

また、上述した実施形態では、エンジン１を１サイクル８ストロークモードで運転する場合、インジェクタ６７は、図４のエンジン制御処理のステップＳ１１において決定した燃料噴射量の燃料を、圧縮行程１及び圧縮行程２において噴射すると説明したが、少なくとも圧縮行程１において噴射すればよい。また、圧縮行程２における燃料噴射量は、圧縮行程１における燃料噴射量よりも多いことが好ましいと説明したが、圧縮行程１における燃料噴射量が圧縮行程２における燃料噴射量より多くてもよい。

また、上述した実施形態では、エンジン１を１サイクル８ストロークモードで運転する場合、休止行程１及び休止行程２のそれぞれにおいて排気弁２２を開くと説明したが、休止行程１及び休止行程２のそれぞれにおいて吸気弁２１を開くようにしてもよく、吸気弁２１と排気弁２２の両方を開くようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、ＶＶＬ７１は、油圧で作動し、カム山を一つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロフィールの異なる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２２に伝達するカムシフティング機構を含んで構成されていると説明したが、これとは異なる構成のＶＶＬを用いてもよく、電磁駆動や空気圧駆動のＶＶＬを用いてもよい。

次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例によるエンジンの制御装置１の作用効果を説明する。

まず、ＰＣＭ１０は、エンジン１の運転状態が、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、エンジン１の１回のサイクル中に、吸気行程において吸気弁２１を開き、吸気行程に続きピストン１４が上昇及び下降を２回繰り返す間吸気弁２１及び排気弁２２を閉じることにより圧縮行程及び膨張行程を連続して２回繰り返し、２回目の膨張行程に続く排気行程において排気弁２２を開くように吸気側のＶＶＴ７２、ＶＶＬ７４及び排気側のＶＶＴ７５、ＶＶＬ７１を制御すると共に、少なくとも１回目の圧縮行程中に燃料をインジェクタ６７から噴射させ、且つ、圧縮行程中の燃料噴射量の合計が、エンジン１が１サイクル中に出力する平均トルクが目標トルクとなるように決定された燃料噴射量となるようにインジェクタ６７を制御するので、１回目の圧縮行程及び膨張行程の間に、１回目の圧縮行程中に噴射した燃料と空気との低温酸化反応を進行させて燃焼室内の混合気の温度を上昇させると共に燃料と空気との反応時間を確保することができ、これにより、２回目の圧縮行程における圧縮自己着火燃焼の燃焼安定性を向上することができる。したがって、軽負荷運転時や冷間時においても、内部ＥＧＲ率を高めたりエンジンの圧縮比を高めたりすることなくＨＣＣＩ燃焼の燃焼安定性を確保することができる。

また、ＰＣＭ１０は、エンジン１の運転状態が、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ、所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、排気行程に続きピストン１４が下降する間及び上昇する間のそれぞれにおいて吸気弁２１及び排気弁２２の一方又は両方を開き、ピストン１４の上昇に続いて次のサイクルの吸気行程が開始すると吸気弁２１を開くように吸気側のＶＶＴ７２、ＶＶＬ７４及び排気側のＶＶＴ７５、ＶＶＬ７１を制御すると共に、吸気行程の開始から次のサイクルの吸気行程の開始までにピストン１４が４往復する間にエンジン１が出力する平均トルクが目標トルクとなるように燃料噴射量を決定するので、１回のサイクルがピストン１４の４往復により行われるようにエンジン１を運転することができる。

また、ＰＣＭ１０は、エンジン１の運転状態が、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ、所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、２回目の圧縮行程中の燃料噴射量を１回目の圧縮行程中の燃料噴射量よりも多くするので、２回目の圧縮行程及び膨張行程における圧縮自己着火燃焼の燃焼安定性を向上させるために燃料と空気の低温酸化反応を進行させるのに必要なだけの燃料を１回目の圧縮行程で噴射させつつ、残りの燃料を２回目の圧縮行程で圧縮自己着火により燃焼させることができ、これにより、燃料を効率良く燃焼させることができる。

１エンジン（エンジン本体）
１０ＰＣＭ
１４ピストン
１７排気ポート
１８気筒
２１吸気弁
２２排気弁
３６スロットル弁
６７インジェクタ
７１ＶＶＬ（排気側）
７２ＶＶＴ（吸気側）
７４ＶＶＬ（吸気側）
７５ＶＶＴ（排気側）

Claims

吸気を気筒内に導入するための吸気弁と、排気を気筒内から排出するための排気弁と、燃料を気筒内に直接噴射するための燃料噴射弁と、気筒内に往復動可能に設けられたピストンと、を備え、所定の運転領域において圧縮自己着火燃焼を行うエンジンの制御装置であって、
上記吸排気弁のリフト量を変化させる可変バルブ機構と、
車両の運転状態に基づき目標トルクを決定する目標トルク決定手段と、
上記エンジンの運転状態が、上記圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、上記エンジンの１回のサイクル中に、吸気行程において上記吸気弁を開き、上記吸気行程に続き上記ピストンが上昇及び下降を２回繰り返す間上記吸気弁及び上記排気弁を閉じることにより圧縮行程及び膨張行程を連続して２回繰り返し、２回目の膨張行程に続く排気行程において上記排気弁を開くように上記可変バルブ機構を制御する可変バルブ機構制御手段と、
上記エンジンの運転状態が、上記圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ、所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、上記吸気行程の開始から次のサイクルの吸気行程の開始までの間に上記エンジンが出力する平均トルクが上記目標トルクとなるように燃料噴射量を決定し、１回目の上記圧縮行程中および２回目の上記圧縮行程中に燃料を上記燃料噴射弁から噴射させ、且つ、上記圧縮行程中の燃料噴射量の合計が上記決定した燃料噴射量となるように上記燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、を有し、
上記エンジンの運転状態が、上記圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ、所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、上記可変バルブ機構制御手段は、上記排気行程に続き上記ピストンが下降する間及び上昇する間のそれぞれにおいて上記吸気弁及び上記排気弁の一方又は両方を開き、上記ピストンの上昇に続いて次のサイクルの吸気行程が開始すると上記吸気弁を開くように上記可変バルブ機構を制御し、
上記燃料噴射制御手段は、上記吸気行程の開始から次のサイクルの吸気行程の開始までに上記ピストンが４往復する間に上記エンジンが出力する平均トルクが上記目標トルクとなるように燃料噴射量を決定する、こと特徴とするエンジンの制御装置。
上記エンジンの運転状態が、上記圧縮自己着火燃焼を行う運転領域にあり、且つ、所定の低負荷状態又は冷間状態にある場合、
上記燃料噴射制御手段は、上記１回のサイクルにおける２回目の圧縮行程中の燃料噴射量を１回目の圧縮行程中の燃料噴射量よりも多くする請求項１に記載のエンジンの制御装置。