JP6658084B2

JP6658084B2 - エンジン及びこれを備えた車両

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Publication number: JP6658084B2
Application number: JP2016035002A
Authority: JP
Inventors: 佳吉村
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: JP2017150419A

Description

本発明は、エンジン及びこれを備えた車両に関し、特に、予混合圧縮着火式のエンジン及びこれを備えた車両に関する。

昨今のエンジンにおいては、更なる燃費向上を目的として、予混合圧縮着火式のガソリンエンジンが検討されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のエンジンは、筒内に直接燃料を噴射する直噴式のエンジンであり、点火プラグによる混合気の点火（ＳＩ：Spark Ignition）と、点火プラグを用いず、予め空気と燃料を混合した混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ：Homogeneous Charge Compression Ignition）とが切替え可能に構成されている。

特許文献１では、比較的エンジン回転数及びエンジン負荷が小さい運転領域（ＨＣＣＩ領域）において予混合圧縮着火が実施され、比較的エンジン負荷が大きい運転領域（ＳＩ領域）においてＳＩ点火が実施される。すなわち、エンジン回転数やエンジン負荷に応じてＳＩ点火と予混合圧縮着火とが切替えられる。

特開２０１０−２３６４６７号公報

ところで、上記した予混合圧縮着火を実現できる運転領域（燃焼領域）は限られており、予混合圧縮着火を制御するのは非常に困難である。例えば、筒内に燃料を噴射した際に筒内温度が低下する結果、混合気の自己着火に必要な温度を得られず失火してしまうことが考えられる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、筒内温度を低下させることなく、混合気を適切に自己着火させることが可能なエンジン及びこれを備えた車両を提供することを目的とする。

本発明に係るエンジンは、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置を備え、空気と燃料を混合した混合気を筒内で圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火式のエンジンであって、所定のエンジン回転数及びアクセル操作に応じて算出されたエンジン負荷に基づいて予混合圧縮着火が可能な予混合圧縮着火領域において、前記予混合圧縮着火領域は、前記エンジン負荷の小さい第１の予混合圧縮着火領域と、前記エンジン負荷の大きい第３の予混合圧縮着火領域と、その間の第２の予混合圧縮着火領域と、に分割され、前記エンジン負荷が大きくなるに従って、負のバルブオーバラップ期間を短くし、前記第１の予混合圧縮着火領域では、負のバルブオーバラップ期間に燃料を噴射し、前記第２の予混合圧縮着火領域では、吸気行程時に燃料を噴射し、前記第３の予混合圧縮着火領域では、圧縮行程中の燃焼開始前までに少なくとも２回以上燃料を噴射し、前記予混合圧縮着火から火花点火に切替える際に、前記第１の予混合圧縮着火領域から前記火花点火に移行する場合には前記第２及び第３の予混合圧縮着火領域を経由し、前記第２の予混合圧縮着火領域から前記火花点火に移行する場合には前記第３の予混合圧縮着火領域を経由することを特徴とする。

この構成によれば、負のバルブオーバラップ期間に燃料が噴射されることで、燃焼前の筒内温度を上昇させることができる。よって、混合気の自己着火に必要な温度を確保することができ、失火させることなく、適切に混合気を自己着火させることが可能になる。また、吸気行程時に燃料を噴射することで、混合気が燃焼開始するまでの間に、空気と燃料が混合するまでの時間を確保することができる。この結果、筒内で均質化された混合気を燃焼させることができ、燃焼効率の高い燃焼を行うことが可能になる。更に、複数回に分けて燃料を噴射することで混合気にムラができる。この結果、成層燃焼を行うことができ、燃焼を緩慢化させることができる。よって、比較的エンジン負荷が高い場合であっても混合気を予混合圧縮着火が可能となり、更なる燃費の向上が実現される。また、混合気が成層燃焼されることで、混合気を全体的に効率よく燃焼させることができ、排ガス性能の低下を防止することもできる。また、エンジン負荷が段階的に大きくなることで、急激なトルク変動を防止することができ、予混合圧縮着火から火花点火へスムーズに切替えることが可能になる。

また、本発明に係る上記エンジンは、点火装置の火花を用いた混合気の火花点火と予混合圧縮着火とを切替え可能に構成され、予混合圧縮着火から火花点火に切替える際に、負のバルブオーバラップ期間をゼロにすると共に、前記点火装置による火花点火を開始することが好ましい。この構成によれば、負のバルブオーバラップ期間を無くすことにより、エンジン負荷を高めることなく急激なトルク変動を防止することができ、予混合圧縮着火から火花点火へスムーズに切替えることが可能になる。

また、本発明に係る車両は、上記したエンジンを備えることが好ましい。この構成によれば、上記したエンジンによる作用効果を車両で享受することができる。

本発明によれば、負のバルブオーバラップ期間に燃料を噴射することにより、筒内温度を低下させることなく、混合気を適切に自己着火させることができる。

本実施の形態に係るエンジンの概念図である。本実施の形態に係るエンジンの燃焼マップを示す図である。本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを示す図である。本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する燃料噴射タイミングを示すグラフである。本実施の形態に係るエンジンの制御フローを示す図である。本実施の形態に係るエンジンの制御フローを示す図である。本実施の形態に係るエンジンの制御フローを示す図である。本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する過給圧及びＥＧＲ弁開度を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下においては、本発明に係るエンジンを自動四輪車に適用した例について説明するが、適用対象はこれに限定されることなく変更可能である。例えば、本発明に係るエンジンを他のタイプの車両（例えば自動二輪車）に適用してもよい。また、以下の各図では、説明の便宜上、一部の構成を省略している。

図１を参照して、本実施の形態に係るエンジンの概略構成について説明する。図１は本実施の形態に係るエンジンの概念図である。なお、本実施の形態において、自動四輪車が通常備えている構成（例えばクランクセンサ等）は備えているものとし、説明は省略する。

本実施の形態に係るエンジン１は、点火装置（不図示）による混合気の火花点火（ＳＩ：Spark Ignition）と、点火装置を用いず、予め空気と燃料を混合した混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ：Homogeneous Charge Compression Ignition）とを切替え可能に構成されている。エンジン１は、例えば、直列多気筒（本実施の形態では４気筒）のガソリンエンジンである。

エンジン１は、シリンダブロック１０の各気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置１１を備えている。各気筒内には、筒内の圧力を検知する筒内圧センサ１２が設けられている。また、エンジン１には、可変バルブタイミング機構（不図示）を備えた動弁装置１３が設けられている。詳細は後述するが、動弁装置１３は、エンジン負荷やエンジン回転数に応じて吸気バルブ及び排気バルブ（共に不図示）の開閉タイミングを変更することにより、後述するバルブオーバラップ期間を調整する。

エンジン１の吸気側には、インテークマニホールド１４を介して吸気管１５が接続されている。吸気管１５には、上流側からスロットルバルブ１６、過給機１７（コンプレッサ１７ｂ）、及びインタークーラ１８が設けられている。一方、エンジン１の排気側には、エキゾーストマニホールド１９を介して排気管２０が接続されている。排気管２０には、上流側からＬＡＦセンサ２１、過給機１７（タービン１７ａ）、触媒装置２２が設けられている。

燃料噴射装置１１は、直噴式のインジェクタで構成され、後述するＥＣＵ２６からの命令に応じて筒内に燃料を噴射する。筒内圧センサ１２は、例えば圧電素子を備えたピエゾ式圧力センサであり、筒内の燃焼圧力に応じた電圧信号を出力する。当該電圧信号は、ＥＣＵ２６に出力される。スロットルバルブ１６は、運転者のアクセル操作に応じて開度を調整する弁体である。スロットルバルブ１６の開度が調整されることで吸入空気の流量が調整される。

過給機１７は、排気ガスの圧力でタービン１７ａを回してコンプレッサ１７ｂを駆動するターボチャージャーであり、コンプレッサ１７ｂで吸入空気を圧縮する。具体的に過給機１７は、排気管２０側に設けられるタービン１７ａと吸気管１５側に設けられるコンプレッサ１７ｂとがターボシャフト１７ｃによって同軸に接続されている。インタークーラ１８は、過給機１７で圧縮された吸入空気を冷却する。

ＬＡＦセンサ２１（Linear Air-fuel Ratio Sensor）は、排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する。ＬＡＦセンサ２１は、例えば、ジルコニア式酸素センサで構成され、酸素濃度に応じて変化する電流値から空燃比を検出する。当該空燃比は、ＥＣＵ２６に出力される。触媒装置２２は、排気ガスを浄化するものであり、例えば、三元触媒で構成される。触媒装置２２は、排気ガス内の汚染物質（一酸化炭素、炭化水素や窒素酸化物等）を無害な物質（二酸化炭素、水、窒素等）に変換する。

また、本実施の形態に係るエンジン１には、排気ガスの一部を吸気側に戻して再燃焼させるＥＧＲシステム（Exhaust Gas Recirculation system）が採用されている。具体的には、触媒装置２２の下流側の排気管２０とスロットルバルブ１６の下流側の吸気管１５とが配管２３によって接続されている。当該配管２３には、排気側から順に、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ２４と、排気ガスの吸入量を調整するＥＧＲバルブ２５が設けられている。

また、エンジン１は、上記構成の他、エンジン１内の各種動作を統括制御するＥＣＵ２６を備えている。ＥＣＵ２６は、エンジン１内の各種処理を実行するプロセッサやメモリ等により構成されている。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶媒体で構成される。メモリには、エンジン１の各部を制御する制御プログラム等が記憶されている。

特にＥＣＵ２６は、エンジン負荷やエンジン回転数に基づいた燃焼マップ（図２参照）をメモリに記憶している。この燃焼マップには、点火装置を用いた点火が可能な火花点火領域（後述するＳＩ領域）と、予混合圧縮着火が可能な予混合圧縮着火領域（後述するＨＣＣＩ領域）とが含まれている。詳細は後述するが、ＥＣＵ２６は、運転者のアクセル操作から要求されるエンジン負荷を算出し、図示しないクランクセンサから検出されるエンジン回転数と当該エンジン負荷に基づいて、上記した燃焼マップから火花点火と予混合圧縮着火とを切替えるようにエンジン１の各種動作を制御する。

このように構成されるエンジン１では、運転者のアクセル操作に応じてスロットルバルブ１６の開度が調整され、エアクリーナ（不図示）を経由したクリーンな吸入空気が過給機１７に導入される。過給機１７では吸入空気が圧縮され、吸入空気は、インタークーラ１８で冷却された後に筒内へ供給される。筒内では、所定のタイミングで燃料が噴射され、吸入空気と燃料とが混合される。このとき、点火装置による火花点火、又は予混合圧縮自己着火によって混合気が燃焼される。燃焼後の排気ガスは、エキゾーストマニホールド１９から排気管２０及び触媒装置２２を通じて外に排出される。

ところで、従来より検討がなされている予混合圧縮着火式のエンジンにおいては、エンジン負荷の広範囲にわたってＨＣＣＩ運転を実現するために、エンジン負荷に応じて燃料噴射のタイミングや燃料噴射の回数を変更するようにエンジンの動作が制御される。例えば、比較的エンジン負荷が低い領域においては、一段直噴により筒内に燃料を供給して混合気を自己着火させている。一方、比較的エンジン負荷が高い領域では、混合気が一気に燃焼することに起因した騒音や筒内の圧力増加がエンジンの強度に影響を与えるため、燃料を複数回にわたって噴射することで、燃焼の緩慢化を図っている。

しかしながら、上記した低負荷領域では、エンジン負荷が低くなるほど筒内温度が下がるため、混合気の自己着火に必要な温度が確保されずに失火してしまうという問題がある。また、高負荷領域では、１回目に噴射された燃料が、燃焼に至るまでの間に新気と混合して均一化してしまう。このため、所望の成層度が得られず、混合気の燃焼を適切に緩慢化することが難しいという問題がある。さらに、２回目以降に噴射された燃料が十分に蒸発しないまま燃焼されることで、ＰＭ（Particulate Matter）排出量増加の要因ともなり得る。

そこで、本実施の形態に係るエンジン１は、ＨＣＣＩ運転が可能な領域（後述する領域Ｈ）をエンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて複数（本実施の形態では３つ）の領域Ｈ_１〜Ｈ_３に分割し（図２参照）、各領域Ｈ_１〜Ｈ_３毎に燃料の噴射タイミングや噴射回数を変更するように制御している。

例えば、比較的エンジン負荷の小さい領域Ｈ_１では、吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じた負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎ（図３参照）に燃料を噴射する。これにより、前サイクルにおける燃焼熱に加えて筒内温度を上昇させることができる。よって、混合気の自己着火に必要な温度を確保することができ、失火させることなく、適切に混合気を自己着火させることが可能になった。

また、比較的エンジン負荷の大きい領域Ｈ_３では、圧縮行程中の燃焼開始前までに少なくとも２回以上燃料を噴射する。このように、複数回に分けて燃料を噴射することで混合気にムラができ、成層燃焼を行うことが可能になった。この結果、燃焼を緩慢化させることができると共に、排ガス性能の低下を防止することができる。

次に、図２を参照して、本実施の形態に係るエンジンの燃焼マップについて説明する。図２は、本実施の形態に係るエンジンの燃焼マップを示す図である。

図２に示すように、燃焼マップでは、横軸がエンジン回転数を表し、縦軸がエンジン負荷を表している。この燃焼マップでは、所定のエンジン回転数Ｎ（以下、単に回転数Ｎと記す）及びエンジン負荷Ｌ（以下、単に負荷Ｌと記す）を境界にして、点火装置を用いた点火が可能な火花点火領域Ｓ（ＳＩ領域、以下、単に領域Ｓと記す）と、予混合圧縮着火が可能な予混合圧縮着火領域Ｈ（ＨＣＣＩ領域、以下、単に領域Ｈと記す）とが設定されている。

具体的には、エンジン回転数が所定の回転数Ｎ以下で且つエンジン負荷が所定の負荷Ｌ以下の領域が領域Ｈである。領域Ｈでは、点火装置を用いず、混合気を圧縮自己着火させて燃焼させる予混合圧縮着火が行われる。一方、エンジン回転数が所定の回転数Ｎより大きい又はエンジン負荷が所定の負荷Ｌより大きい領域が領域Ｓである。領域Ｓでは、点火装置を用いた通常の火花点火により、混合気の着火が行われる。これらの領域Ｈ、Ｓは更に細かく領域が分けられている。

領域Ｈは、エンジン負荷ごとに３つの領域Ｈ_１〜Ｈ_３に分けられており、エンジン負荷の低い方から順番に、領域Ｈ_１（第１ＨＣＣＩ領域）、領域Ｈ_２（第２ＨＣＣＩ領域）、領域Ｈ_３（第３ＨＣＣＩ領域）となっている。ここで、燃焼マップ上の各領域Ｈ_１〜Ｈ_３の境界値となるエンジン回転数及びエンジン負荷を、それぞれ回転数Ｎ_１、負荷Ｌ_１、Ｌ_２とする。回転数Ｎ_１は、所定の回転数Ｎより小さく設定されている。負荷Ｌ_１は、所定の負荷Ｌ及び負荷Ｌ_２より小さく設定されており、負荷Ｌ_２は、所定の負荷Ｌより小さく設定されている。

領域Ｈ_１は、燃焼マップ上において、エンジン回転数が回転数Ｎ_１以下でエンジン負荷が所定の負荷Ｌ_１以下の領域を示している。この領域Ｈ_１では、後述する負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎ（図４参照）と吸気行程時に、燃料が噴射される。領域Ｈ_２は、燃焼マップ上において、領域Ｈ_１より上で、エンジン回転数が所定の回転数Ｎ以下で且つエンジン負荷が負荷Ｌ_２以下の領域を示している。この領域Ｈ_２では、吸気行程時に一度だけ燃料が噴射される。領域Ｈ_３は、燃焼マップ上において、領域Ｈ_２より高負荷で、エンジン回転数が所定の回転数Ｎ以下で且つエンジン負荷が所定の負荷Ｌ以下の領域を示している。この領域Ｈ_３では、圧縮行程中の燃焼開始前までに少なくとも２回以上燃料が噴射される。

領域Ｓは、混合気の濃度に応じて３つの領域Ｓ_Ｓ、Ｓ_Ｌ、Ｓ_Ｒに分けられている。領域Ｓ_Ｓは、理論空燃比に基づいた混合気の燃焼が行われるストイキＳＩ領域である。領域Ｓ_Ｓは、エンジン負荷が所定の負荷Ｌより大きい領域に設定されている。領域Ｓ_Ｌは、理論空燃比より薄い濃度で混合気の燃焼が行われるリーンＳＩ領域である。領域Ｓ_Ｌは、エンジン回転数が所定の回転数Ｎより大きい領域に設定されている。領域Ｓ_Ｒは、理論空燃比より濃い濃度で混合気の燃焼が行われるリッチＳＩ領域である。領域Ｓ_Ｒは、領域Ｓ_Ｓより高負荷高回転側の領域に設定されている。

本実施の形態では、この燃焼マップに基づいて、燃料の噴射タイミングや噴射回数、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング等が制御される。このように、燃焼マップを複数の領域に分割したことで、エンジンの状態に応じて適宜燃焼方式を切替えることが可能になっている。各領域における燃料の噴射タイミング等の制御については後述する。

次に、図３を参照して、エンジン負荷に対する吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングについて説明する。図３は、本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを示す図である。図３においては、横軸がエンジン負荷を示し、縦軸が時間を示している。また、図３の縦軸におけるＢＤＣはクランクシャフトの下死点（Bottom Dead Center）を示し、ＴＤＣはクランクシャフトの上死点（Top Dead Center）を示している。

上記したように、本実施の形態では、動弁装置１３（図１参照）が、エンジン負荷やエンジン回転数に応じて吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを調整するように構成されている。図３では、実線で示す部分が吸気バルブの開閉タイミングを示し、一点鎖線で示す部分が排気バルブの開閉タイミングを示している。

具体的には、ＩＶＯ（Intake Valve Open）が吸気バルブの開くタイミングを示し、ＩＶＣ（Intake Valve Close）が吸気バルブの閉まるタイミングを示している。一方、ＥＶＯ（Exhaust Valve Open）が排気バルブの開くタイミングを示し、ＥＶＣ（Exhaust Valve Close）が排気バルブの閉まるタイミングを示している。

特に、排気行程から吸気行程に至るＴＤＣの前後においては、吸気バルブ及び排気バルブが共に開いた状態を示す正のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｐ、又は、吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じた状態を示す負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎが設定されている。なお、図３では説明の便宜上、これらのバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｐ、Ｔ_Ｎを斜線のハッチングで示している。

通常、点火装置によるＳＩ燃焼では、吸気の充填効率を高めるために、上記した正のバルブオーバラップ期間を設けている。しかしながら、ＨＣＣＩ燃焼では、吸気バルブ及び排気バルブが共に開いてしまうと筒内温度の低下が起きてしまうため、負のバルブオーバラップ期間を設けることで筒内温度の低下を防止している。

具体的に本実施の形態では、エンジン負荷に応じて各バルブオーバラップ期間Ｔ_Ｐ、Ｔ_Ｎを変更するように構成されている。図３に示すように、領域Ｈ_１から領域Ｈ_３に向かってエンジン負荷が高くなるに従って、負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎが短くなるようにバルブタイミングが調整される。そして、領域Ｈ（領域Ｈ_３）から領域Ｓに移行する境界部分では、負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎがゼロになる。さらにエンジン負荷が高くなると、徐々に正のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｐが長くなるようにバルブタイミングが調整される。

次に、図４を参照して、燃焼マップの各領域における燃料の噴射タイミング等について説明する。図４は、本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する燃料噴射タイミングを示すグラフである。なお、図４における横軸及び縦軸は、図３と同様であるため、説明を省略する。また、図４では説明の便宜上、燃料噴射を実施している時間をドットのハッチングで示している。

図４に示すように、領域Ｈ_１においては、負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎで一回燃料が噴射された後、吸気行程時のＢＤＣの手前において、もう一回燃料が噴射される。このように、負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎで燃料が噴射されることにより、前サイクルの燃焼熱に加えて燃焼前の筒内温度を上昇させることができる。この結果、混合気の自己着火に必要な温度を確保することができ、失火を防止しつつ自己着火を促進することが可能になる。

特に、エンジン負荷の低い領域Ｈ_１は、混合気が自己着火し難い領域であり、負のオーバラップ期間Ｔ_Ｎで燃料を噴射して自己着火をし易くすることにより、全体としてＨＣＣＩ運転が可能な領域Ｈを拡大することができる。この結果、更なる燃費の向上を実現することができる。なお、負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎにおける燃料噴射量は、次の燃焼までに噴射される燃料のうち、５０％以下に調整されることが好ましい。

領域Ｈ_２においては、吸気行程時に一回だけ燃料が噴射される。具体的に領域Ｈ_２では、エンジン負荷が高くなるにつれて燃料の噴射時間が長くなると共に、燃料の噴射タイミングが圧縮行程の開始直前（ＩＶＣ）に近づくように調整される。このように、領域Ｈ_２では、吸気行程時に燃料を噴射することで、混合気が燃焼開始するまでの間に、空気と燃料が混合するまでの時間を確保することができる。この結果、筒内で均質化された混合気を燃焼させることができ、燃焼効率の高い燃焼を行うことが可能になる。

領域Ｈ_３では、圧縮行程中の燃焼開始前までに少なくとも２回以上（図４では２回）燃料が噴射される。具体的に領域Ｈ_３では、エンジン負荷が高くなるにつれて、燃料の噴射タイミングが遅らされる。領域Ｈ_３では、複数回に分けて燃料を噴射することで混合気にムラができる。この結果、成層燃焼を行うことができ、燃焼を緩慢化させることができる。よって、比較的エンジン負荷が高い領域Ｈ_３においても、ＨＣＣＩ運転が可能となり、更なる燃費の向上が実現される。また、混合気が成層燃焼されることで、混合気を全体的に効率よく燃焼させることができ、排ガス性能の低下を防止することもできる。

領域Ｓでは、ＩＶＣのタイミングの前後において、領域Ｈに比べて比較的長い期間で燃料噴射が実施される。また、エンジン負荷が高くなるにつれてＩＶＣのタイミングが徐々に早まるのに合わせ、燃料噴射のタイミングが徐々に早められる。領域Ｓでは、燃料噴射の後に点火装置（不図示）による点火が行われる。

上記のように、本実施の形態では、エンジン負荷に応じて燃料の噴射タイミングや噴射回数を調整することにより、エンジンの状態に応じて燃焼方式（領域Ｈ_１〜Ｈ_３、領域Ｈから領域Ｓ）を切替えることが可能になっている。

特に、予混合圧縮着火から火花点火に切替わる際、すなわち、領域Ｈ（領域Ｈ_３）から領域Ｓに移行する際には、負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎをゼロにすると共に、点火装置による火花点火を開始する。このように、負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎを無くすことで、エンジン負荷を高めることなく急激なトルク変動を防止することができ、予混合圧縮着火から火花点火へスムーズに切替えることが可能になる。

また、領域Ｈ_１から領域Ｓに移行する場合には、直接領域Ｓに移行するのではなく、領域Ｈ２、Ｈ３を経由してから領域Ｓに移行することが好ましい。同様に、領域Ｈ_２から領域Ｓに移行する場合には、直接領域Ｓに移行するのではなく、領域Ｈ３を経由してから領域Ｓに移行することが好ましい。これらの場合には、エンジン負荷が段階的に大きくなると共に、負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎが段階的に短くなる。このため、上記と同様に、急激なトルク変動を防止することができ、予混合圧縮着火から火花点火へスムーズに切替えることが可能になる。

次に、図５から図７を参照して、本実施の形態に係るエンジンの制御フローについて説明する。図５から図７は、本実施の形態に係るエンジンの制御フローを示す図である。具体的に、図５は火花点火か予混合圧縮着火かを選択するまでの制御フローを示し、図６は予混合圧縮着火の場合の制御フローを示し、図７は火花点火の場合の制御フローを示している。なお、以下に示す制御フローでは、特に明示が無い限り、動作（判定）の主体はＥＣＵとする。

図５に示すように、制御が開始されると、先ず、要求エンジン負荷及びエンジン回転数が算出される（ステップＳＴ１０１）。エンジン１（図１参照）では、アクセル開度に応じて筒内に供給される吸入空気の量が調整され、筒内圧力が変化すると共に、エンジン回転数も変化する。この場合、アクセル開度から要求エンジン負荷が算出され、クランクセンサ（不図示）の出力値からエンジン回転数が算出される。

次に、エンジン水温が測定され（ステップＳＴ１０２）、燃焼マップが読み込まれる（ステップＳＴ１０３）。そして、エンジン水温が閾値以上であるか、且つエンジン１の状態がＨＣＣＩ領域（領域Ｈ：図２参照）に属しているか否かが判定される（ステップＳＴ１０４）。

エンジン水温が閾値以上であり、エンジン１の状態が領域Ｈに属している場合（ステップＳＴ１０４：ＹＥＳ）、図６に示すように、第１ＨＣＣＩ領域（領域Ｈ_１：図２参照）に属しているか否かが判定される（ステップＳＴ２０１）。領域Ｈ_１に属している場合（ステップＳＴ２０１：ＹＥＳ）、負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎで燃料を噴射した後、吸気行程でもう一度燃料が噴射されて（ステップＳＴ２０２）、制御が終了する。

領域Ｈ_１に属していない場合（ステップＳＴ２０１：ＮＯ）、第２ＨＣＣＩ領域（領域Ｈ_２：図２参照）に属しているか否かが判定される（ステップＳＴ２０３）。領域Ｈ_２に属している場合（ステップＳＴ２０３：ＹＥＳ）、吸気行程で燃料が噴射されて（ステップＳＴ２０４）、制御が終了する。

領域Ｈ_２に属していない場合（ステップＳＴ２０３：ＮＯ）、第３ＨＣＣＩ領域（領域Ｈ_３：図２参照）に属していると判定され、圧縮行程中の燃焼開始までに少なくとも２回燃料が噴射される（ステップＳＴ２０５）。そして、最後の燃料噴射が混合気の燃焼開始前までに終了したか否かが判定される（ステップＳＴ２０６）。

最後の燃料噴射が混合気の燃焼開始前までに終了した場合（ステップＳＴ２０６：ＹＥＳ）、制御は終了する。一方、最後の燃料噴射が混合気の燃焼開始前までに終了しない場合（ステップＳＴ２０６：ＮＯ）、次サイクルの燃料噴射のタイミングを進角するフラグが立てられ（ステップＳＴ２０７）、制御が終了する。

また、ステップＳＴ１０４において、エンジン水温が閾値より小さい、又はエンジン１の状態が領域Ｈに属していない場合（ステップＳＴ１０４：ＮＯ）、図７に示すように、触媒装置２２（図１参照）又は過給機１７（タービン１７ａ：図１参照）の温度が閾値以下であるかどうかが判定される（ステップＳＴ３０１）。なお、触媒装置２２、又はタービン１７ａの温度は図示しない温度計によって測定される。触媒装置２２、タービン１７ａの温度は、ＥＣＵ２６に記憶させたマップデータからエンジン１の駆動状態（燃料噴射量等）に基づいて求めてもよい。

触媒装置２２又はタービン１７ａの温度が閾値以下である場合（ステップＳＴ３０１：ＹＥＳ）、排気ガス中のＮＯｘ濃度が閾値以下であるか、且つエンジン１の状態がリーンＳＩ領域（領域Ｓ_Ｌ：図２参照）に属しているか否かが判定される（ステップＳＴ３０２）。

なお、排気ガス中のＮＯｘ濃度（ＮＯｘ排出量）は、エンジン１の下流に設けたＮＯｘセンサ（不図示）を用いて検出することができる。また、エンジン１の駆動条件に基づいて予めＮＯｘ排出量を求めてマップデータとしてＥＣＵ２６に記憶させ、そのマップデータを参照するように構成してもよい。

排気ガス中のＮＯｘ濃度が閾値以下であり、エンジン１の状態が領域Ｓ_Ｌに属している場合（ステップＳＴ３０２：ＹＥＳ）、リーンＳＩ領域の条件で、理論空燃比より薄い濃度の混合気を燃焼するように燃料噴射及び点火制御が実施され（ステップＳＴ３０３）、制御が終了する。

排気ガス中のＮＯｘ濃度が閾値より大きい、又はエンジン１の状態が領域Ｓ_Ｌに属していない場合（ステップＳＴ３０２：ＮＯ）、エンジン１の状態がストイキＳＩ領域（領域Ｓ_Ｓ：図２参照）に属していると判定される。この場合、ストイキＳＩ領域の条件で、理論空燃比の混合気を燃焼するように燃料噴射及び点火制御が実施され（ステップＳＴ３０４）、制御が終了する。

また、ステップＳＴ３０１において、触媒装置２２又はタービン１７ａの温度が閾値より大きい場合（ステップＳＴ３０１：ＮＯ）、エンジン負荷が大きいとして、エンジン１の状態がリッチＳＩ領域（領域Ｓ_Ｒ：図２参照）に属していると判定される。この場合、リッチＳＩ領域の条件で、理論空燃比より濃い濃度で混合気を燃焼するように燃料噴射及び点火制御が実施され（ステップＳＴ３０５）、制御が終了する。

以上のように、本実施の形態によれば、負のバルブオーバラップ期間Ｔ_Ｎに燃料が噴射されることで、燃焼前の筒内温度を上昇させることができる。よって、混合気の自己着火に必要な温度を確保することができ、失火させることなく、適切に混合気を自己着火させることが可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

また、上記した実施の形態においては、領域Ｈ_３で、圧縮行程中の燃焼開始前までに２回燃料を噴射する構成としたが、この構成に限定されない。例えば、圧縮行程中の燃焼開始前までに３回以上燃料を噴射してもよい。

また、上記した実施の形態においては、筒内圧力を筒内圧センサ１２で検出する構成としたが、この構成に限定されない。筒内圧力の上昇量や筒内圧力を、エンジン１の駆動状態から算出するように構成してもよい。例えば、筒内圧力の上昇量を、時間やクランク角に対する筒内圧力の変化量として算出することが考えられる。

また、上記した実施の形態において、領域Ｈでは点火装置を用いないとしたが、この構成に限定されない。例えば、エンジン負荷が比較的小さい領域Ｈ_１においては、点火装置による点火アシストを行ってもよい。

また、上記した実施の形態において、領域Ｈ_２、Ｈ_３及び領域Ｓでは、過給機１７による過給及びＥＧＲの導入を行うことが可能である。図８は、本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する過給圧及びＥＧＲ弁開度を示す図である。図８Ａはエンジン負荷に対する過給圧を示し、図８Ｂはエンジン負荷に対するＥＧＲ弁開度を示している。図８においては横軸がエンジン負荷を示し、図８Ａの縦軸が過給圧を示し、図８Ｂの縦軸がＥＧＲ弁開度を示している。

図８Ａに示すように、過給圧は、領域Ｈ_１においては比較的低く、領域Ｈ_２から領域Ｈ_３に至るにつれて高くなっている。また、領域Ｓでは過給圧が高い状態で維持されている。図８Ｂに示すように、ＥＧＲ弁開度は、領域Ｈ_１においては比較的小さく、領域Ｈ_２から領域Ｈ_３に至るにつれて大きくなっている。また、領域Ｓではエンジン負荷が大きくなるにつれてＥＧＲ弁開度が小さくなっている。この場合、特に領域Ｈ_３では、圧縮行程中の複数回噴射による混合気の燃焼緩慢化に加え、過給機１７による過給及びＥＧＲの導入により、更なる混合気の燃焼緩慢化を図ることが可能である。

以上説明したように、本発明は、筒内温度を低下させることなく、混合気を適切に自己着火させることができるという効果を有し、特に、予混合圧縮着火式のエンジン及びこれを備えた車両に有用である。

１エンジン
１１燃料噴射装置
２６ＥＣＵ
ＨＨＣＣＩ領域（予混合圧縮着火領域）
Ｈ_１第１ＨＣＣＩ領域（第１の予混合圧縮着火領域）
Ｈ_２第２ＨＣＣＩ領域（第２の予混合圧縮着火領域）
Ｈ_３第３ＨＣＣＩ領域（第３の予混合圧縮着火領域）
ＳＳＩ領域（火花点火領域）
Ｓ_ＳストイキＳＩ領域
Ｓ_ＬリーンＳＩ領域
Ｓ_ＲリッチＳＩ領域
Ｔ_Ｎ負のバルブオーバラップ期間
Ｔ_Ｐ正のバルブオーバラップ期間

Claims

筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置を備え、空気と燃料を混合した混合気を筒内で圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火式のエンジンであって、
所定のエンジン回転数及びアクセル操作に応じて算出されたエンジン負荷に基づいて予混合圧縮着火が可能な予混合圧縮着火領域において、
前記予混合圧縮着火領域は、
前記エンジン負荷の小さい第１の予混合圧縮着火領域と、
前記エンジン負荷の大きい第３の予混合圧縮着火領域と、
その間の第２の予混合圧縮着火領域と、に分割され、
前記エンジン負荷が大きくなるに従って、負のバルブオーバラップ期間を短くし、
前記第１の予混合圧縮着火領域では、負のバルブオーバラップ期間に燃料を噴射し、
前記第２の予混合圧縮着火領域では、吸気行程時に燃料を噴射し、
前記第３の予混合圧縮着火領域では、圧縮行程中の燃焼開始前までに少なくとも２回以上燃料を噴射し、
前記予混合圧縮着火から火花点火に切替える際に、前記第１の予混合圧縮着火領域から前記火花点火に移行する場合には前記第２及び第３の予混合圧縮着火領域を経由し、前記第２の予混合圧縮着火領域から前記火花点火に移行する場合には前記第３の予混合圧縮着火領域を経由することを特徴とするエンジン。
前記予混合圧縮着火から前記火花点火に切替える際に、前記負のバルブオーバラップ期間をゼロにすると共に、前記火花点火を開始することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
請求項１又は請求項２に記載のエンジンを備える車両。