JP6789007B2 - エンジン制御方法及びエンジン制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンを制御するエンジン制御方法及びエンジン制御装置に関する。

エンジンの排気通路には、一般的に、排気ガスを浄化するための触媒装置が配置されている。触媒装置に担時された触媒は、活性化温度未満では良好な触媒機能を発揮しないので、機関始動時には触媒を早期に活性化温度まで昇温させるための暖機運転が必要となる。暖機運転の手法としては、点火タイミングを遅角させることによって排気ガスの温度を高めて、触媒を昇温させる手法がある。また、このような暖機運転において、点火タイミングを遅角した状態でも良好な着火性を確保するために、点火プラグの近傍に燃料噴霧を集中させた状態で火花点火を行う、いわゆる成層燃焼を実施する場合がある。

このような暖機運転中において、例えば、加速を行うなどして急速に負荷が加わると、上記のような成層燃焼から均質ストイキ燃焼へと切り替わる。特許文献１には、加速時の燃料噴射量に応じて点火タイミングを連続的に遅角させることにより全加速域におけるドライバビリティを向上させることが開示されている。

特許３１９０１３０号公報

ところで、ピストン冠面に設けたキャビティを利用して点火プラグの近傍に燃料噴霧を集中させる場合には、暖機運転にピストン冠面に燃料が付着する。そして、成層燃焼から均質ストイキ燃焼へと切り替える際に、ピストン冠面に付着した燃料が燃焼火炎により点火されて燃焼すると、排気微粒子（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）の生成量の増大を招くこととなる。

点火タイミングを遅らせるほど、点火タイミングにおける点火プラグからピストン冠面までの距離は長くなり、燃焼火炎がピストン冠面に到達しにくくなる。しかし、上記文献ではＰＭの生成量の抑制を全く考慮していない。つまり、上記文献においては、加速時における点火タイミングの遅角量を設定するにあたり、燃焼火炎がピストン冠面に到達するか否かはまったく考慮されていない。このため、上記文献により設定した点火タイミングでは、燃焼火炎がピストン冠面に到達してＰＭの排出量（以下、ＰＮ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｎｕｍｂｅｒともいう）が増大するおそれがある。

また、エンジンの機械圧縮比を運転状態に応じて変化させる可変圧縮比機構を用いて、暖機運転時には排気ガスの温度を高めるために圧縮比を相対的に低くし、加速時には熱効率を高めるために圧縮比を高める制御が知られている。この制御によれば、同一クランク角度における点火プラグからピストン冠面までの距離は、暖機運転中よりも加速時の方が小さくなる。つまり、燃焼火炎がピストン冠面に到達し易くなる。よって、上記文献の制御では、ピストン冠面の温度が低いときの加速時においてＰＮ増加を抑制することがさらに難しい。

そこで、本発明では、可変圧縮比機構によって圧縮比を変更する場合であっても、燃焼形態の変更に伴うＰＮの増加を抑制し得るようエンジンを制御することを目的とする。

本発明のある態様によれば、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、を備える筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンを制御するエンジン制御方法が提供される。エンジン制御方法は、圧縮比毎の、クランクアングルと点火プラグからピストンまでの距離との関係と、圧縮比、エンジン回転速度及び負荷を含む運転状態と火炎がピストン冠面に到達するタイミングとの関係と、を予め取得しておき、圧縮比を筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの負荷に応じて変更し、圧縮比を変更する場合に、圧縮比変更前と圧縮比変更後の、点火プラグからピストンまでの距離が同じになるときのクランクアングルの差に基づいて点火タイミングを制御することで、前記圧縮比を変更する前後における点火タイミングまたはピストン冠面に燃焼火炎が到達するタイミングのいずれかにおける点火プラグからピストンまでの距離を同じにする。

上記態様によれば、可変圧縮比機構によって圧縮比を変更する場合であっても、燃焼形態の変更に伴うＰＮの増加を抑制することができる。

図１は、本実施形態を適用する筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの燃焼室周辺の概略構成図である。 図２は、ＰＮの増加を抑制するための制御ルーチンを示すフローチャートである。 図３は、シリンダヘッドからピストンまでの距離と圧縮比との関係を示す図である。 図４は、シリンダヘッドからピストンまでの距離が低圧縮比時と同じになる高圧縮比時のクランクアングルを示す図である。 図５は、シリンダヘッドからピストンまでの距離が同じになる低圧縮比時のクランクアングルと高圧縮比時のクランクアングルとの差を示す図である。 図６は、点火タイミングを設定するためのサブルーチンを示すフローチャートである。 図７は、第１実施形態における均質ストイキ燃焼時の点火タイミングを示す図である。 図８は、燃焼火炎がピストンに到達するときの、シリンダヘッドからピストンまでの距離と圧縮比との関係を示す図である。 図９は、シリンダヘッドからピストンまでの距離が同じになる低圧縮比時のクランクアングルと高圧縮比時のクランクアングルとの差を示す図である。 図１０は、第１実施形態における均質ストイキ燃焼時の点火タイミングを示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態を適用する筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン（以下、「エンジン」ともいう）１の、燃焼室周辺の概略構成図である。なお、図１はひとつの気筒についてのみ示しているが、本実施形態は多気筒エンジンにも適用可能である。

エンジン１のシリンダブロック１Ｂはシリンダ２を備える。シリンダ２にはピストン３が往復動可能に収められている。ピストン３は可変圧縮比機構ＶＣＲにより駆動されてシリンダ２内を往復動する。

可変圧縮比機構ＶＣＲは出願人により公知にされた機構である。クランクシャフト１４のクランクピン１４Ａに、ロアリンク１３が回転自由に固定されている。ロアリンク１３とピストン３とはアッパーリンク１２を介して連結されている。また、ロアリンク１３とコントロールシャフト１６とがコントロールリンク１５を介して連結されている。コントロールリンク１５は、コントロールシャフト１６の回転軸からずれた位置に連結されている。コントロールシャフト１６は、例えばラックアンドピニオン機構等を介して電動モータ１７により回転駆動される。

上記の構成により、コントロールシャフト１６が回転してコントロールリンク１５が引き下げられると、ロアリンク１３はクランクピン１４Ａを軸として回転し、アッパーリンク１２が押し上げられる。その結果、ピストン３の上死点位置が上昇する。この反対に、コントロールリンク１５が押し上げられると、アッパーリンク１２は引き下げられ、ピストン３の上死点位置が下降する。このように、可変圧縮比機構ＶＣＲは、ピストン３の上死点位置を変更することによって、いわゆる機械圧縮比を変更することが可能である。

また、ピストン３は冠面３Ａ（以下、ピストン冠面３Ａともいう）に後述するキャビティ１０を備える。

エンジン１のシリンダヘッド１Ａは凹状の燃焼室１１を備える。燃焼室１１は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、吸気側の傾斜面には一対の吸気バルブ６が、排気側の傾斜面には一対の排気バルブ７がそれぞれ配置されている。そして、これら一対の吸気バルブ６及び一対の排気バルブ７に囲まれた燃焼室１１の略中心位置に、点火プラグ８がシリンダ２の軸線に沿うように配置されている。

また、シリンダヘッド１Ａの、一対の吸気バルブ６に挟まれた位置には、燃料噴射弁９が燃焼室１１に臨むように配置されている。燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の指向性については後述する。

吸気バルブ６及び排気バルブ７は、バルブオーバーラップ期間調整機構としての可変動弁機構２０により駆動される。可変動弁機構２０は、吸気バルブ６及び排気バルブ７がいずれも開弁したバルブオーバーラップ期間が生じるように、吸気バルブ６及び排気バルブ７のバルブタイミング、つまり開弁タイミング及び閉弁タイミング、を変化させ得るものであれば足りる。なお、開弁タイミングとは開弁動作を開始するタイミング、閉弁タイミングとは閉弁動作を終了するタイミングである。本実施形態では、吸気バルブ６を駆動するカムシャフト及び排気バルブ７を駆動するカムシャフトの、クランクシャフトに対する回転位相を変化させる公知の可変動弁機構２０を用いる。なお、回転位相だけでなく吸気バルブ６及び排気バルブ７の作動角も変化させ得る公知の可変動弁機構を用いてもよい。また、可変動弁機構２０としては、吸気バルブ６と排気バルブ７の開閉タイミングの両方が調整できるものに限らず、いずれか一方のみを調整できるものでもよい。例えば、吸気バルブ６の開閉タイミングのみが調整できるものであっても吸気バルブ６の開期間と排気バルブ７の開期間とのバルブオーバーラップ期間を長くしたり短くしたり調整できれば他の機構を採用してもよい。

排気通路５の排気流れ下流側には、エンジン１の排気ガスを浄化するための排気浄化触媒（図示せず）が介装されている。排気浄化触媒は、例えば三元触媒である。

ピストン３は、上述したようにピストン冠面３Ａにキャビティ１０を備える。キャビティ１０は、ピストン冠面３Ａにおいて吸気側に偏った位置に設けられている。そして、燃料噴射弁９は、ピストン３が上死点近傍にあるときに燃料噴射すると、燃料噴霧がこのキャビティ１０を指向するように配置されている。キャビティ１０に衝突した燃料噴霧が、キャビティ１０の壁面に沿って巻き上げられて点火プラグ８の方向へ向かう形状になっている。

エンジン１の燃料噴射量、燃料噴射タイミング、圧縮比及び点火タイミング等は、コントローラ１００によりエンジン１の運転状態に応じて制御される。燃料噴射タイミングとは、燃料噴射を開始するタイミングである。また、これらの制御を実行するために、エンジン１はクランクシャフト角度センサ、冷却水温センサ３２、吸入空気量を検出するエアフローメータ、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３１、排気浄化触媒の温度を直接的に又は間接的に検出する触媒温度センサ３３等の各種検出装置を備える。アクセル開度センサ３１は、エンジン１の負荷を検出する他に、ドライバーの加速要求を検出する加速要求センサとしても機能するが、加速要求センサはこれに限られない。例えば、手でアクセル操作するものも適用でき、加速要求量を検出できれば操作子の形態にはこだわらない。

なお、コントローラ１００は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１００を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

ここで、基本的な圧縮比及び点火タイミングの設定方法について説明する。

コントローラ１００は、圧縮比をエンジン１の負荷に応じて次のように設定する。低負荷状態では、燃費性能の向上を図るために、コントローラ１００は可変圧縮比機構ＶＣＲで取り得る圧縮比のなかで相対的に高い圧縮比（以下、「高圧縮比」ともいう。）に設定する。そして、コントローラ１００は、負荷の増大に応じて、ノッキング発生の抑制と燃費性能とを両立するために段階的または連続的に圧縮比を低下させる。

コントローラ１００は、従来から知られているのと同様に、エンジン１の負荷及び回転速度、そして冷却水温をパラメータとして基本的な点火タイミングを設定する。そして、コントローラ１００は基本的な点火タイミングを、上述した圧縮比をパラメータとして補正する。なお、基本的な点火タイミングを、エンジン１の負荷及び回転速度と、冷却水温と、圧縮比と、をパラメータとして設定するようにしてもよい。点火タイミングの設定に冷却水温を用いるのは、燃焼安定度に影響を及ぼす筒内温度を取得するためである。したがって、筒内温度を取得できるパラメータであれば他のものを用いてもよい。筒内温度を直接的に検出するセンサが有る場合には筒内温度をパラメータとする。

次に、コントローラ１００が実行する、エンジン１の始動時における制御について説明する。本実施形態では、１燃焼サイクルあたりに必要な燃料量を２回に分けて噴射する、いわゆる２段噴射を行うこととする。

排気浄化触媒は、活性化温度より低温では十分な浄化性能を発揮しない。このため、排気浄化触媒が活性化温度より低温である冷機始動時には、排気浄化触媒を早期に昇温する必要がある。そこで、コントローラ１００は、冷間始動直後のアイドル状態で排気浄化触媒が不活性状態にある場合に、排気浄化触媒を早期に活性化させるために超リタード成層燃焼を実行する。なお、超リタード成層燃焼そのものは公知（特開２００８−２５５３５号公報参照）である。

超リタード成層燃焼では、コントローラ１００は点火タイミングを上述した設定方法により膨張行程の前半の、例えば圧縮上死点後１５−３０ｄｅｇに設定する。以下、この点火タイミングを基本点火タイミングという。このような点火タイミングを設定することで、排気浄化触媒に流入する排気の温度が高まる。

また、コントローラ１００は１回目の燃料噴射タイミングを吸気行程の前半に設定し、２回目の燃料噴射タイミングを圧縮行程の後半の、燃料噴霧が点火タイミングまでに点火プラグ８の周辺に到達し得るタイミング、例えば圧縮上死点前５０−６０ｄｅｇに設定する。

また、超リタード成層燃焼では、コントローラ１００は可変圧縮比機構ＶＣＲを低圧縮比側に設定する。ここでいう低圧縮比とは、可変圧縮比機構ＶＣＲで実現可能な圧縮比のうち、相対的に低い圧縮比のことをいう。超リタード成層燃焼のときに低圧縮比にすることで、熱効率が低下して排気温度が上昇する。

ここで、１回目の燃料噴射量と２回目の燃料噴射量とについて説明する。

上述した超リタード成層燃焼で排出される排気ガスの空燃比はストイキ（理論空燃比）である。コントローラ１００は一般的な燃料噴射量設定方法と同様に、１燃焼サイクル当たりの吸入空気量で完全燃焼させ得る燃料量（以下、トータル燃料量ともいう）を算出する。このトータル燃料量のうちの一部、例えば５０−９０重量％を１回目の噴射量とし、残りを２回目の噴射量とする。

上記のように燃料噴射量を設定すると、１回目の燃料噴射で噴射された燃料噴霧は、キャビティ１０に衝突することなくシリンダ２内に拡散し、空気と混合して燃焼室１１の全域にストイキよりもリーンな均質混合気を形成する。そして、２回目の燃料噴射で噴射された燃料噴霧は、キャビティ１０に衝突し、巻き上げられることによって点火プラグ８の近傍に到達し、点火プラグ８の周りにストイキよりもリッチな混合気を集中的に形成する。これにより燃焼室１１内の混合気は成層状態となる。この状態で点火プラグ８により火花点火すれば、失火やスモーク発生が抑制された外乱に強い燃焼が行われる。ところで、上述した燃焼は成層燃焼であるが、点火タイミングが圧縮上死前である一般的な成層燃焼と区別するために、超リタード成層燃焼と称する。

上記のような超リタード成層燃焼によれば、従来の均質ストイキ燃焼と比較して排気温度を上昇させることができるだけでなく、燃焼室１１から排気通路５へのハイドロカーボン（ＨＣ）排出量を低減できる。すなわち、超リタード成層燃焼によれば、従来の均質ストイキ燃焼だけ、成層燃焼だけ、或いは、これらに対し更に追加燃料を燃焼後期以降（膨張行程以降や排気行程中）に噴射する燃焼形態等、で暖機を行なわせる場合に比べて、始動開始から排気浄化触媒が活性化するまでの間における大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、排気浄化触媒の早期活性化を実現することができる。なお、ここでは超リタード成層燃焼を２段燃料噴射によって行うこととしているが燃料噴射の段数はこれに限られない。

ところで、超リタード成層燃焼の実行中にピストン冠面３Ａに衝突した燃料の一部は、点火プラグ８の方向に巻き上がらずに、ピストン冠面３Ａに付着する。ピストン冠面３Ａに燃料が付着した場合でも、付着した燃料が気化して当該燃焼サイクルで燃焼すれば、ピストン冠面３Ａに燃料が残留することはない。しかし、超リタード成層燃焼を実行するのは冷機始動時なので、ピストン冠面３Ａの温度が上昇するまでは、付着した燃料は気化し難い。また、付着した燃料が当該燃焼サイクルの燃焼火炎が伝播することによって燃焼すれば、ピストン冠面３Ａに燃料が残留することはない。しかし、超リタード成層燃焼では膨張行程で燃焼を開始するので、燃焼火炎がピストン冠面３Ａに到達しなかったり、または膨張行程後半で温度低下した状態でピストン冠面３Ａに到達することとなったりするので、付着した燃料を当該サイクル中に燃やし切ることは難しい。なお、ピストン冠面３Ａに残留している液状燃料が燃焼火炎によって点火されて燃焼する現象をプールファイヤと称する。

したがって、冷機始動してからの所定期間は、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料は増加し続ける。ここでいう所定期間とは、１燃焼サイクル中にピストン冠面３Ａに付着する量よりも、ピストン冠面３Ａに残留していた液状燃料が１燃焼サイクル中に気化する量の方が多くなるまでの期間である。

つまり、所定期間を超えて超リタード成層燃焼を継続すれば、ピストン冠面３Ａに残留していた液状燃料は徐々に減少する。しかし、所定期間経過前に、ピストン冠面３Ａに液状燃料が残留した状態で超リタード成層燃焼から均質ストイキ燃焼に切り替わる場合がある。例えば、アクセルペダルが踏み込まれて加速する場合である。なお、ここでいう均質ストイキ燃焼とは、燃焼室１１の全体に理論空燃比の混合気を形成し、火花点火する燃焼形態である。

超リタード成層燃焼が行われているときにアクセルペダルが踏み込まれ加速する場合、通常制御へと制御が切り替わる。本実施形態において通常制御とは、均質ストイキ燃焼において最適点火時期（ＭＢＴ：ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ ｂｅｓｔ ｔｏｒｑｕｅ、トルク最大点における点火時期）で火花点火する制御である。一般的に均質ストイキ燃焼時におけるＭＢＴは、ＴＤＣよりも若干進角した点火タイミングとなっている。なお、このときの燃料噴射は吸気行程噴射である。

ピストン冠面３Ａに液状燃料が残留している状態で超リタード成層燃焼から均質ストイキ燃焼をＭＢＴで行わせるように切り替えると、燃焼火炎が高温のままピストン冠面３Ａに到達してプールファイヤが生じ、残留している液状燃料が燃焼する。そして、今回の燃焼サイクルまでに蓄積した液状燃料が燃焼すると、ＰＮが増加する傾向がある。

そこで本実施形態では、液状燃料が燃焼することによるＰＮの増加を抑制するために、コントローラ１００が以下に説明する制御を実行する。

図２は、ＰＮの増加を抑制するための制御ルーチンを示すフローチャートである。この制御ルーチンは、コントローラ１００によって実行される。なお、本ルーチンは例えば１０ミリ秒程度の短い間隔で繰り返し実行される。

本ルーチンでは、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料に火炎が接触することによるＰＭ発生を抑制するための点火タイミングを設定する。なお、本ルーチンでは、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量（以下、単に「液状燃料量」ともいう）を低減するために、バルブオーバーラップ期間の拡大も行う。以下、フローチャートのステップにしたがって説明する。

ステップＳ１０１で、コントローラ１００は、超リタード成層燃焼時から継続してアクセルペダルが閾値Ａよりも大きく踏み込まれたか否かを判定する。ここで、閾値Ａとは、ドライバーに加速意図有りと認められる程度のアクセルペダルの踏み込み量である。この閾値Ａは、予め設定されている。また、このとき、超リタード成層燃焼時であったか否かは、排気浄化触媒の温度に基づいて判定することができる。具体的には、排気浄化触媒が活性温度未満であれば実行中、活性温度以上であれば実行中でない、と判定する。

そして、ステップＳ１０１においてアクセルペダルが閾値Ａよりも大きく踏み込まれていないときには、コントローラ１００は、触媒温度が触媒の活性化温度ＴＣを超えているか否かを判定する（Ｓ１０２）。そして、触媒温度が触媒の活性化温度ＴＣを超えていない場合には、コントローラ１００は、前述の超リタード成層燃焼制御を継続して行う（Ｓ１０３）。

一方、ステップＳ１０１においてアクセルペダルが閾値Ａよりも大きく踏み込まれているとき、または、ステップＳ１０２において触媒温度が触媒の活性化温度ＴＣを超えた場合には、コントローラ１００は均質ストイキ燃焼制御を行う（Ｓ１０４）。均質ストイキ燃焼とは、前述のように、燃焼室１１の全体に理論空燃比の混合気を形成し、火花点火する燃焼形態である。均質ストイキ燃焼を実行するときには、コントローラ１００は可変圧縮比機構ＶＣＲを超リタード成層燃焼のときよりも高圧縮比側に設定する。

なお、触媒温度が活性化温度ＴＣを超えている場合であってもステップＳ１０４に処理を進め、後述するステップＳ１０５でピストン冠面３Ａの温度に応じた制御を行うこととしているのは、触媒が活性しているからといってピストン冠面３Ａの温度が昇温しているとは限らず、ピストン冠面３Ａの温度が低い場合にはＰＮが増加する場合があるからである。

次に、ステップＳ１０５で、コントローラ１００はピストン冠面３Ａの温度（以下、単に「ピストン冠面温度」ともいうことがある）を取得する。本実施形態において、ピストン冠面温度を冷却水温センサ３２の検出値から求めることができる。例えば、既存の冷却水温センサ３２によって取得される温度とピストン冠面温度との関係を予め求めておくことで、既存の冷却水温センサ３２によって取得される温度に基づいて、エンジン１の制御時にピストン温度を取得することができる。

ステップＳ１０６で、コントローラ１００はステップＳ１０５で取得したピストン冠面温度が予め設定してある閾値Ｔ１未満であるか否かを判定する。コントローラ１００は、ピストン冠面温度が閾値Ｔ１未満の場合はステップＳ１０７の処理を実行する。

閾値Ｔ１以上の場合は、コントローラ１００は、ステップＳ１０８において通常制御を実行する。通常制御は、点火タイミングをＭＢＴとして均質ストイキ燃焼を行う運転制御である。

本ステップで用いる閾値Ｔ１には、超リタード成層燃焼から通常制御に切り替えたとしても、ＰＮの排出規制値を満足できる値が予め設定される。閾値Ｔ１は、換言すると、ピストン冠面３Ａに付着した液状燃料が１サイクル中で気化や燃焼のできる温度とできない温度との境界の温度とも言える。そして、１サイクル中で気化や燃焼ができない温度とは、ピストン冠面３Ａに付着した液状燃料が次のサイクルまで液状で持ち越されてしまい、排気微粒子（ＰＭ）の生成の要因となってしまう温度とも言える。なお、閾値Ｔ１を、加速時にピストン冠面３Ａが液状燃料で濡れていなくとも火炎が発生する場合もあることが解ったため、その温度と火炎が発生しない温度の境界の温度としてもよい。

ステップＳ１０７で、コントローラ１００は、火花点火タイミング（以下、単に「点火タイミング」ということもある）を後述するサブルーチンを実行することにより算出する。

ここで、ステップＳ１０７における点火タイミングの設定についての考え方について説明する。

図３は、クランクアングル[ＣＡ°]とヘッド−ピストン間隔との関係を示す図である。ここでいう「ヘッド−ピストン間隔」とは、シリンダヘッド下面からピストン冠面までの距離である。クランクアングル０°のときが圧縮上死点である。図中のεｈｉｇｈは均質ストイキ燃焼時の圧縮比（以下、高圧縮比ともいう）における挙動を示し、εｌｏｗは超リタード成層燃焼時の圧縮比（以下、低圧縮比ともいう）における挙動を示す。図中のＩＴ＿ｌｏｗは低圧縮比時の点火タイミング、つまり上述した基本点火タイミングである。

ピストン３はシリンダ２を往復動するので、クランクアングルの変化に応じてヘッド−ピストン間隔も変化する。そして、可変圧縮比機構の特性上、高圧縮比時には低圧縮比時より圧縮上死点が高くなるので、図示するように、εｈｉｇｈの方がεｌｏｗよりもヘッド−ピストン間隔が小さくなる。

なお、図３では縦軸をシリンダヘッド下面からピストン冠面までの距離としたが、これを点火プラグ８の先端からピストン冠面３Ａまでの距離としてもよい。点火プラグ８の先端からシリンダヘッド下面までの距離は圧縮比の変更によらず一定なので、距離の絶対値は異なるものの、εｈｉｇｈの曲線とεｌｏｗの曲線との相対的な関係は図３と同様になるからである。すなわち、以下の説明において、「ヘッド−ピストン間隔」を点火プラグ８の先端からピストン冠面３Ａまでの距離に置き換えることができる。

図３に示すように、低圧縮比時の基本点火タイミングＩＴ＿ｌｏｗにおけるヘッド−ピストン間隔をＬ１とする。高圧縮比時に、低圧縮比時と同じ点火タイミングで点火すると、点火タイミングにおけるヘッド−ピストン間隔Ｌ２はＬ１よりも小さくなる。点火タイミングにおけるヘッド−ピストン間隔が小さいということは、火花点火による燃焼火炎がピストン冠面に到達するタイミングにおけるヘッド−ピストン間隔も小さくなり、プールファイヤが生じ易くなる。つまり、高圧縮比時に低圧縮比時と同じ点火タイミングで点火するとＰＮが増大し易くなる。

そこで本実施形態では、高圧縮比時の点火タイミングを、ヘッド−ピストン間隔が低圧縮比時と同じになるように設定する。具体的には、以下の通りである。

図４は、低圧縮比時におけるヘッド−ピストン間隔と同じヘッド−ピストン間隔になる、高圧縮比時におけるクランクアングル（以下、「等ヘッド−ピストン間隔クランクアングル」ともいう）を示す図である。図中の横軸は低圧縮比時（ε１）のクランクアングル、縦軸は等ヘッド−ピストン間隔クランクアングルである。クランクアングル０°は圧縮上死点である。図４中の実線Ｃは、低圧縮比時のクランクアングル毎に等ヘッド−ピストン間隔クランクアングルをプロットし、それらをつなげたものである。図中の破線Ｄは、ε１＝ε２の場合の等ヘッド−ピストン間隔クランクアングルを示している。

図４に示した通り、等ヘッド−ピストン間隔クランクアングルは低圧縮比時におけるクランクアングルよりも大きい。これは、図３に示した通り、高圧縮比時には低圧縮比時よりもシリンダヘッドに近い位置でピストン３が往復動するからである。

図５は、図４の実線Ｃと破線Ｄとの縦軸方向の差（以下、ΔＣＡともいう）と、低圧縮比時のクランクアングルとの関係を示す図である。図５に示す通り、低圧縮比時の点火タイミングＩＴ＿ｌｏｗにおけるデルタＣＡはΔＣＡ１である。すなわち、高圧縮比時の点火タイミングにおけるヘッド−ピストン間隔を、低圧縮比時の点火タイミングＩＴ＿ｌｏｗにおけるヘッド−ピストン間隔と同じにするには、高圧縮比時の点火タイミングを低圧縮比時の点火タイミングに対してΔＣＡ１だけ遅角側に設定すればよい。

図６は、上述した高圧縮比時における点火タイミングの設定方法を制御ルーチンにまとめたものである。すなわち、図６は図２のステップＳ１０７において実行するサブルーチンである。

ステップＳ２００で、コントローラ１００は圧縮比及び基本点火タイミングを読み込む。
コントローラ１００は、圧縮比としてコントロールシャフト１６の回転角やピストンストローク等に基づいて算出した値を読み込む。

ステップＳ２１０で、コントローラ１００はΔＣＡを算出する。例えば、図５に示すようなΔＣＡのテーブルを予め作成しておき、これを低圧縮比時の点火タイミングＩＴ＿ｌｏｗを用いて検索することによって算出する。なお、均質ストイキ時に取り得る圧縮比が複数ある場合には、圧縮比毎のテーブルを作成しておく。

ステップＳ２２０で、コントローラ１００はΔＣＡを用いて基本点火タイミングを補正し、補正後の点火タイミングを均質ストイキ燃焼時の点火タイミングとして設定する。具体的には、基本点火タイミングからΔＣＡだけ遅角したタイミングを補正後の点火タイミングとする。

図７は、図６の制御ルーチンを実行した場合の、均質ストイキ燃焼時の点火タイミングＩＴ＿ｈｉｇｈを示す図である。均質ストイキ燃焼時の点火タイミングＩＴ＿ｈｉｇｈを、超リタード成層燃焼時の点火タイミングＴＩ＿ｌｏｗからΔＣＡ１だけ遅角側に設定する。これにより、均質ストイキ燃焼時の点火タイミングＩＴ＿ｈｉｇｈにおけるヘッド−ピストン間隔は、超リタード成層燃焼時の点火タイミングＩＴ＿ｌｏｗにおけるヘッド−ピストン間隔と同じになる。すなわち、超リタード成層燃焼から均質ストイキ燃焼への切り替えに伴って圧縮比が上昇した場合でも、点火タイミングにおけるヘッド−ピストン間隔が一定に維持される。その結果、燃焼火炎がピストン冠面３Ａに到達する際のヘッド−ピストン間隔の、圧縮比の変更に伴う変化が抑制されるので、ＰＮの増大が抑制される。

以上の通り本実施形態では、圧縮比を変更する場合に、点火タイミングにおけるヘッド−ピストン間隔が、圧縮比を変更する前と同じになるように、点火タイミングを制御するので、ＰＮの増大を抑制することができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、システムの構成は第１実施形態と同様である。また、本実施形態の制御ルーチンは、基本的には図２と同様であるが、ステップＳ１０７における均質ストイキ燃焼時の点火タイミングの設定方法が第１実施形態と異なる。

本実施形態では、点火による燃焼火炎がピストン冠面３Ａに到達するタイミング（以下、「火炎到達タイミング」ともいう）が超リタード成層燃焼時（低圧縮比時）と同じになるように、均質ストイキ燃焼時（高圧縮比時）の点火タイミングを設定する。

以下、具体的な設定方法について説明する。

図８は、図３と同様にクランクアングル[ＣＡ°]とヘッド−ピストン間隔との関係を示す図である。

低圧縮比時に点火タイミングＩＴ＿ｌｏｗで点火すると、燃焼火炎はクランクアングルがＣＡ２のときにピストン冠面３Ａに到達する。このときのヘッド−ピストン間隔をＬ３とする。高圧縮比時に同じ点火タイミングＩＴ＿ｌｏｗで点火すると、燃焼火炎がピストン冠面３Ａに到達するクランクアングルＣＡ２におけるヘッド−ピストン間隔は、Ｌ３より短いＬ４となる。つまり、図３で説明したようにプールファイヤが生じ易くなり、ＰＮの増大を招来し易くなる。

そこで本実施形態では、高圧縮比時にもヘッド−ピストン間隔がＬ３となるタイミングで燃焼火炎がピストン冠面３Ａに到達するように、高圧縮比時の点火タイミングＩＴ＿ｈｉｇｈを設定する。

図９は、図５と同様に、ΔＣＡと低圧縮比時のクランクアングルとの関係を示す図である。図示する通り、火炎到達タイミングにおけるΔＣＡはΔＣＡ２である。これは、高圧縮比時のヘッド−ピストン間隔が低圧縮比時の火炎到達タイミングにおけるヘッド−ピストン間隔と同じになるのは、低圧縮比時の火炎到達タイミングＣＡ２よりもΔＣＡ２だけ遅角側のタイミングであることを意味する。そこで本実施形態では、高圧縮比時の火炎到達タイミングがクランクアングルＣＡ２よりもΔＣＡ２だけ遅角側になるように、高圧縮比時の点火タイミングＩＴ＿ｈｉｇｈを設定する。具体的には、高圧縮比時の点火タイミングＩＴ＿ｈｉｇｈを、低圧縮比時の点火タイミングＩＴ＿ｌｏｗよりもΔＣＡ２だけ遅角側に設定する。

具体的には、図６のサブルーチンのステップＳ２１０において、コントローラ１００は上述したΔＣＡ２を算出する。例えば、図９に示すようなΔＣＡのテーブルを予め作成しておき、火炎到達タイミングを用いてテーブルを検索することによって算出する。火炎到達タイミングの取得方法は、次の通りである。

まず、圧縮比、エンジン回転速度及び負荷等といった運転状態と火炎到達タイミングとの関係を、予め実験やシミュレーションによって求めておく。そして、ステップＳ２１０の処理を実行する際に運転状態を読み込み、予め求めておいた関係と運転状態とを用いて火炎到達タイミングを算出する。

なお、均質ストイキ時に取り得る圧縮比が複数ある場合には、圧縮比毎のテーブルを作成しておく。

図１０は、上述した方法で設定した均質ストイキ燃焼の点火タイミングを示す図である。

均質ストイキ燃焼時の点火タイミングＩＴ＿ｈｉｇｈを、超リタード成層燃焼時の点火タイミングＴＩ＿ｌｏｗからΔＣＡ２だけ遅角側に設定する。これにより、均質ストイキ燃焼時の火炎到達タイミングにおけるヘッド−ピストン間隔は、超リタード成層燃焼時の火炎到達タイミングにおけるヘッド−ピストン間隔と同じになる。すなわち、超リタード成層燃焼から均質ストイキ燃焼への切り替えに伴って圧縮比が上昇した場合でも、火炎到達タイミングにおけるヘッド−ピストン間隔が一定に維持される。その結果、圧縮比の変更に伴う火炎到達タイミングの変化が抑制されるので、ＰＮの増大が抑制される。

以上の通り本実施形態では、圧縮比を変更する場合に、ピストン冠面に燃焼火炎が到達するタイミングにおける点火プラグからピストンまでの距離が、圧縮比を変更する前と同じになるように、点火タイミングを制御するので、ＰＮの増大を抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン（エンジン）
２ シリンダ
３ ピストン
８ 点火プラグ
９ 燃料噴射弁
２０ 可変動弁機構
１００ コントローラ

Claims (2)

1. 筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、
   圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
   を備える筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンを制御するエンジン制御方法において、
   圧縮比毎の、クランクアングルと前記点火プラグからピストンまでの距離との関係と、
   前記圧縮比、エンジン回転速度及び負荷を含む運転状態と火炎がピストン冠面に到達するタイミングとの関係と、
   を予め取得しておき、
   前記圧縮比を前記筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの負荷に応じて変更し、
   前記圧縮比を変更する場合に、圧縮比変更前と圧縮比変更後の、前記点火プラグからピストンまでの距離が同じになるときのクランクアングルの差に基づいて点火タイミングを制御することで、前記圧縮比を変更する前後における点火タイミングまたはピストン冠面に燃焼火炎が到達するタイミングのいずれかにおける前記点火プラグからピストンまでの距離を同じにすることを特徴とするエンジン制御方法。
2. 筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、
   圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
   を備える筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンを制御するエンジン制御装置において、
   前記可変圧縮比機構を用いて前記圧縮比を制御する圧縮比制御部と、
   点火タイミングを制御する点火タイミング制御部と、
   を備え、
   前記点火タイミング制御部は、圧縮比毎の、クランクアングルと前記点火プラグからピストンまでの距離との関係と、前記圧縮比、エンジン回転速度及び負荷を含む運転状態と火炎がピストン冠面に到達するタイミングとの関係と、を予め取得しておき、前記圧縮比を変更する場合に、圧縮比変更前と圧縮比変更後の、前記点火プラグからピストンまでの距離が同じになるときのクランクアングルの差に基づいて点火タイミングを制御することで、前記圧縮比を変更する前後における点火タイミングまたはピストン冠面に燃焼火炎が到達するタイミングのいずれかにおける前記点火プラグからピストンまでの距離を同じにすることを特徴とするエンジン制御装置。

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