JPWO2016166818A1 - エンジン制御装置及びエンジン制御方法 - Google Patents

Abstract

エンジン制御装置は、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。エンジン制御装置は、排気通路に介装される排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、燃料噴射タイミングが圧縮行程中かつ燃料噴霧がピストン冠面に衝突し、衝突した燃料噴霧がピストン冠面の形状に沿って点火プラグへ向かうタイミングであって、点火タイミングが圧縮上死点以降である触媒暖機運転を実行し、触媒暖機運転の実行中に、ピストン冠面に残存する液状燃料の推定量の増加に応じて燃料噴射タイミングを進角する。

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装置及びエンジン制御方法に関する。

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。触媒装置に担持された触媒は、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。特開2011-220210には、点火時期を遅角させることによって排気ガスの温度を高めて、触媒を昇温させる暖機運転が記載されている。また、上記文献に記載の暖機運転では、点火時期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している。

しかしながら、上記文献に記載の暖機運転では、触媒の暖機運転を実施すべき条件が成立していても、暖房がＯＮになっている場合には点火時期をリタードした状態で均質ストイキ燃焼を実施することとなっている。このような暖機運転は、暖房性能の確保には有効ではあるものの、エミッション低減については十分ではない。特に、上記文献では、排気微粒子（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）の生成量を抑制するために重要な、ピストン冠面に付着した液状燃料量を全く考慮していないので、ＰＭの排出量（以下、ＰＮ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｎｕｍｂｅｒともいう）を低減することは難しい。

そこで本発明では、触媒を早期に活性化させ、かつＰＮの低減を実現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、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が提供される。エンジン制御装置は、排気通路に介装される排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、燃料噴射タイミングが圧縮行程中かつ燃料噴霧がピストン冠面に衝突し、衝突した燃料噴霧がピストン冠面の形状に沿って点火プラグへ向かうタイミングであって、点火タイミングが圧縮上死点以降である触媒暖機運転を実行する。そして、エンジン制御装置は、触媒暖機運転の実行中に、ピストン冠面に残存する液状燃料の推定量の増加に応じて燃料噴射タイミングを進角する。

図１は、第１実施形態を適用するエンジン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、第１実施形態の制御で用いる、燃料噴射タイミング進角量を設定したテーブルである。 図４は、第１実施形態の制御を実行した場合の燃料噴射タイミングを示す図である。 図５は、第１実施形態の制御で用いる、バルブオーバーラップ期間の長さを設定したテーブルである。 図６は、図５のテーブルから算出したバルブオーバーラップ期間を実現するためのバルブタイミングを設定したテーブルである。 図７は、第２実施形態の制御で用いる、バルブオーバーラップ期間の長さを設定したテーブルである。 図８は、図７のテーブルから算出したバルブオーバーラップ期間を実現するためのバルブタイミングを設定したテーブルである。 図９は、ダンパー期間を設けない場合の燃料噴射タイミングを示す図である。 図１０は、燃料噴射タイミングの他の実施例を示す図である。

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はコネクティングロッド１２を介して図示しないクランクシャフトと連結されており、クランクシャフトが回転することにより往復動する。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、図示しない可変動弁機構により駆動される。可変動弁機構は、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を用いる。なお、回転位相だけでなく吸気バルブ及び排気バルブ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。

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。

なお、エンジン１の燃料噴射量、燃料噴射タイミング、及び点火時期等は、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。なお、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、吸入空気量を検出するエアフローメータ等の各種検出装置を備える。

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膨張行程の前半の、例えば圧縮上死点後１５−３０ｄｅｇに設定する。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。

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。

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の方向に巻きあがらずに、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に残留していた液所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、排気浄化触媒が活性化した場合や、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、最適点火時期（ＭＢＴ：ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ ｂｅｓｔ ｔｏｒｑｕｅ）で火花点火する燃焼形態である。

ピストン冠面３Ａに液状燃料が残留している状態で均質ストイキ燃焼に切り替わると、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。このように、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、コントローラ１００が実行する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。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）を抑制するために、２段噴射の２回目の噴射タイミングをピストン冠面３Ａに残留している液状燃料量に応じて変更するものである。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の実行中であるか否かを判定する。実行中であればステップＳ１０２の処理を実行し、実行中でなければ、ステップＳ１０８にて均質ストイキ燃焼（以下、通常制御ともいう）への切り替え処理を行う。超リタード成層燃焼の実行中であるか否かは、排気浄化触媒の温度に基づいて判定する。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。なお、排気浄化触媒が活性温度未満であっても、加速要求が有る場合にはコントローラ１００はステップＳ１０８の処理を実行する。加速要求の有無は図示しないアクセルペダル開度センサの検出値に基づいて判断できる。例えばアクセルペダルが踏み込まれた場合に加速要求有りと判断してもよいし、所定の開度より大きくなった場合に加速要求有りと判断してもよい。さらに、アクセルペダル開度の変化速度を判断材料に加えて、アクセルペダルが踏み込まれ、かつ変化速度が所定値以上の場合に加速要求有りと判断してもよい。

ステップＳ１０２で、コントローラ１００は液状燃料量を推定する。本実施形態では、シリンダ２の壁温（以下、シリンダ壁温ともいう）とエンジン始動からの経過時間とに基づいて液状燃料量を推定する。具体的には、まず、シリンダ壁温が低いほど液状燃料がピストン冠面３Ａに残留し易いという特性に基づいて、シリンダ壁温毎に単位時間当たりの残留量を定めておき、この値にエンジン始動からの経過時間を積算することによってピストン冠面３Ａに付着した積算量を算出する。次に、この積算量から後述する気化量を減算し、その結果を液状燃料の推定量とする。

なお、液状燃料の残留し易さと直接的な関係があるのはピストン冠面３Ａの温度であるが、ここではピストン冠面３Ａの温度と相関があり、かつ既存の冷却水温センサの検出値から推定可能なシリンダ壁温を用いている。

上記の気化量とは、ピストン冠面３Ａに付着していた燃料のうち気化した量である。燃料は温度が高いほど気化し易くなるので、ピストン冠面３Ａの温度が高くなるほど気化量は多くなる。

ステップＳ１０３で、コントローラ１００はステップＳ１０２で推定した液状燃料量（以下、液状燃料推定量ともいう）が予め設定してある閾値Ｌ２未満であるか否かを判定する。コントローラ１００は、液状燃料推定量が閾値Ｌ２未満の場合はステップＳ１０４の処理を実行し、閾値Ｌ２以上の場合はステップＳ１０８の処理を実行する。

本ステップで用いる閾値Ｌ２は、超リタード成層燃焼から均質ストイキ燃焼に切り替えたとしても、ＰＮの排出規制値を満足できる値を設定する。

ステップＳ１０４で、コントローラ１００は、２段噴射における２回目の燃料噴射タイミングの基本燃料噴射タイミングに対する進角量（以下、燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶともいう）を後述するように算出する。基本燃料噴射タイミングは、圧縮行程中かつ燃料噴霧がキャビティ１０に衝突するタイミングである。基本燃料噴射タイミングの具体的な値は、本実施形態を適用する車両の仕様毎の適合作業によって設定するものであるが、本実施形態では上述したように圧縮上死点前５０−６０°の間の値とする。なお、本実施形態における「進角量」及び「遅角量」の単位はクランク角である。

燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶは、例えば、図３に示すテーブルを予め作成してコントローラ１００に格納しておき、このテーブルを液状燃料推定量で検索することにより算出する。

図３は、縦軸が燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶを示し、横軸が液状燃料推定量Ｌを示している。燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶは、液状燃料推定量Ｌがゼロ≦Ｌ＜閾値Ｌ１の場合はゼロ、閾値Ｌ１≦Ｌ＜閾値Ｌ２の場合はＡＤＶ１、Ｌ≧閾値Ｌ２の場合はＡＤＶ２である。燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶ１は、燃料噴射タイミングが圧縮行程中かつ燃料噴霧の一部がキャビティ１０に衝突するタイミングとなる大きさである。燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶ２は、燃料噴射タイミングが吸気行程中かつ燃料噴霧がキャビティ１０に衝突しないタイミングとなる大きさである。閾値Ｌ１は、予め設定した値である。具体的な数値は本実施形態を適用する車両の仕様に応じて設定する。

なお、ピストン冠面３Ａの温度毎に燃料噴射タイミング進角量のテーブルを作成しておき、ステップＳ１０４で燃料噴射タイミング進角量を算出する際に、ピストン冠面３Ａの温度に応じたテーブルを選択するようにしてもよい。この場合、ピストン冠面３Ａの温度が低い場合のテーブルほど、燃料噴射タイミング進角量を大きく設定しておく。つまり、ピストン冠面３Ａの温度が低くなるほど、図３の燃料噴射タイミング進角量が上にシフトしたテーブルになる。ピストン冠面３Ａの温度が低いほど、衝突した燃料が液状燃料として残留し易いので、上記のように燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶ１を算出することで、より確実にピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量の増加を抑制できる。

ステップＳ１０５で、コントローラ１００は燃料噴射タイミングを設定する。具体的には、超リタード成層燃焼用の基本燃料噴射タイミングとステップＳ１０４で算出した燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶとから新たな燃料噴射タイミングを算出する。

図４は、上記ステップＳ１０４及びＳ１０５の処理を実行した場合の燃料噴射タイミングの一例を示す図である。図４の縦軸がクランク角度を示し、横軸が液状燃料推定量Ｌを示している。液状燃料推定量Ｌが閾値Ｌ１未満の場合は、燃料噴射タイミングは基本噴射タイミングのままである。

液状燃料推定量Ｌが閾値Ｌ１以上閾値Ｌ２未満の場合は、燃料噴射タイミングは基本噴射タイミングから燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶ１だけ進角している。この場合、上述したように燃料噴霧の一部はキャビティ１０に衝突するので、基本燃料噴射タイミングの場合に比べると少ないものの、点火プラグ８の周りに成層混合気が形成される。この状態で火花点火されることによって行われる燃焼を弱成層燃焼と称する。

液状燃料推定量Ｌが閾値Ｌ２以上の場合は、燃料噴射タイミングは基本噴射タイミングから燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶ２だけ進角して、吸気行程噴射となる。吸気行程噴射になると、燃料噴霧は点火タイミングまでに拡散・混合して筒内全域に均質な混合気を形成する。したがって、燃焼形態は均質ストイキ燃焼となる。

上記のように、コントローラ１００は燃料噴射タイミングを液状燃料推定量Ｌの増加に応じて進角させる。より詳細には、コントローラ１００は液状燃料推定量Ｌが閾値Ｌ１以上になると燃料噴射タイミングを進角させて弱成層燃焼に切り替える。これにより、キャビティ１０に衝突する燃料量が超リタード成層燃焼の場合に比べて減少するので、ピストン冠面３Ａに残留する燃料量の増加を抑制できる。コントローラ１００は、液状燃料推定量Ｌが閾値Ｌ２以上になると燃料噴射タイミングを吸気行程まで進角させて、均質ストイキ燃焼に切り替える。これにより、燃料噴霧がキャビティ１０に付着しなくなるので、冠面に残留する燃料量の増加をさらに抑制できる。

なお、コントローラ１００は、図示しない別フローにて運転状態に応じて点火タイミングを制御している。そして、コントローラ１００は、超リタード成層燃焼の場合には点火タイミングをＭＢＴよりも遅角させているが、上記の新たな燃料噴射タイミングに合わせて点火タイミングも進角させる。

フローチャートの説明に戻る。

ステップＳ１０６で、コントローラ１００は、液状燃料推定量Ｌに基づいてバルブオーバーラップ期間を算出する。ここでいうバルブオーバーラップ期間とは、吸気バルブ６及び排気バルブ７が開弁している状態が継続する期間をクランク角度で表したものである。

図５は、縦軸がバルブオーバーラップ期間を示し、横軸が液状燃料推定量Ｌを示している。図５では、バルブオーバーラップ期間は、液状燃料推定量Ｌが０≦Ｌ＜Ｌ１の場合は基本バルブオーバーラップ期間Ｖ０、Ｌ１≦Ｌ＜Ｌ２の場合はＶ１、Ｌ≧Ｌ２の場合はＶ２となっている。ここで、Ｖ０＜Ｖ１＜Ｖ２の関係が成立する。

バルブオーバーラップ期間が長くなると、いわゆる内部ＥＧＲガス量が増加するので、吸気行程から点火タイミングまでの筒内温度が上昇する。筒内温度が上昇すればピストン冠面３Ａの温度も上昇し、キャビティに付着している液状燃料の気化が促進される。そこで、図５のテーブルは、液状燃料推定量が多くなると、バルブオーバーラップ期間が長くなるように設定されている。

なお、ピストン冠面３Ａの温度毎にバルブオーバーラップ期間のテーブルを作成しておき、ステップＳ１０６で燃料噴射タイミング進角量を算出する際に、ピストン冠面３Ａの温度に応じたテーブルを選択するようにしてもよい。この場合、ピストン冠面３Ａの温度が低い場合のテーブルほど、バルブオーバーラップ期間を長く設定しておく。つまり、ピストン冠面３Ａの温度が低くなるほど、図５のバルブオーバーラップ期間が上にシフトしたテーブルになる。ピストン冠面３Ａの温度が低いほど、衝突した燃料が液状燃料として残留し易いので、上記のようにバルブオーバーラップ期間を算出することで、より確実にピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量の増加を抑制できる。

ステップＳ１０７で、コントローラ１００はステップＳ１０６で算出したバルブオーバーラップ期間を実現するための可変動弁機構の変換角を設定して、バルブオーバーラップ量を変更する。より詳細には、吸気バルブ６及び排気バルブ７のバルブタイミングを後述する方法により算出し、算出結果に基づいて吸気側及び排気側の可変動弁機構の変換角を変更する。

図６は、ステップＳ１０６で算出したバルブオーバーラップ期間を実現するための、吸気バルブ６の開タイミング（図中のＩＶＯ）と、排気バルブ７の閉タイミング（図中のＥＶＣ）と、を算出するためのテーブルである。図６は、縦軸がバルブタイミングを示し、横軸がバルブオーバーラップ量を示している。基本バルブオーバーラップ期間Ｖ０の場合は、吸気バルブ開タイミングがＩＶＯ０、排気バルブ閉タイミングがＥＶＣ０である。バルブオーバーラップ期間がＶ１の場合は、吸気バルブ開タイミングがＩＶＯ０より進角したＩＶＯ１、排気バルブ閉タイミングがＥＶＣ０より遅角したＥＶＣ１である。バルブオーバーラップ期間がＶ２の場合は、吸気バルブ開タイミングがＩＶＯ１よりさらに進角したＩＶＯ２、排気バルブ閉タイミングがＥＶＣ１よりさらに遅角したＥＶＣ２である。このように、バルブオーバーラップ期間がいずれの長さであっても、吸気バルブ開タイミングと排気バルブ閉タイミングは、排気上死点を挟むように設定されている。

また、吸気バルブ６の開タイミングの進角量は、排気バルブ７の閉タイミングの遅角量よりも大きくなっている。これは、排気バルブ７の閉タイミングを遅角するほど、吸入空気の吹き抜け量が増加し、シリンダ体積効率が低下してしまうからである。すなわち、本実施形態のように主に吸気バルブ６の開タイミングを進角させることでバルブオーバーラップ期間を長くすると、シリンダ体積効率の低下を抑制することができる。

なお、図２のフローチャートにおいて、ステップＳ１０６−Ｓ１０７の処理を、ステップＳ１０４−Ｓ１０５の処理より先に実行してもかまわない。

上述した制御ルーチンをまとめると、次の通りである。まず、コントローラ１００は超リタード成層燃焼中にピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量を推定する。液状燃料推定量が閾値Ｌ２以上の場合は、コントローラ１００は超リタード成層燃焼から通常制御へ切り替える。液状燃料推定量が閾値Ｌ２未満の場合は、コントローラ１００は液状燃料推定量の増加に応じて、燃料噴射タイミングを進角し、かつ、バルブオーバーラップ期間を長くする。

次に、本実施形態の効果について説明する。

本実施形態では、排気通路５に介装される排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、コントローラ１００は、圧縮行程中であって、かつ燃料噴霧がピストン冠面３Ａに衝突し、衝突した燃料噴霧がピストン冠面３Ａの形状に沿って点火プラグ８へ向かう燃料噴射タイミングで燃料を噴射し、圧縮上死点以降に火花点火をする触媒暖機運転（超リタード成層燃焼）を実行する。そして、超リタード成層燃焼の実行中に、コントローラ１００はピストン冠面３Ａに残存する液状燃料の推定量の増加に応じて燃料噴射タイミングを進角する。燃料噴射タイミングを進角することにより、ピストン冠面３Ａに衝突する燃料量が減少するので、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量が減少する。これにより、ＰＮを低減することができる。

本実施形態では、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の推定量が排気微粒子の排出規制値に基づいて設定した閾値を超えた場合には、圧縮行程中であって燃料噴霧がピストン冠面３Ａに衝突して点火プラグへ向かうタイミングから、吸気行程へ燃料噴射タイミングを進角させる。これにより、燃料噴射タイミングにおける燃料噴射弁９からピストン冠面３Ａまでの距離が広がり、燃料噴霧がピストン冠面３Ａに衝突することがなくなるので、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の増加を抑制できる。

なお、仮に、圧縮行程中の燃料噴射タイミングが下死点近傍である場合には、燃料噴射タイミングを吸気行程中へ進角すると、燃料噴射弁９とピストン冠面３Ａとの距離は縮まる。しかし、進角後の燃料噴射タイミングが、燃料噴霧がピストン冠面３Ａに衝突しない燃料噴射タイミング、例えば下死点前１００ｄｅｇ−下死点、であれば、燃料噴射タイミングの進角により、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の増加を抑制できるという効果が得られる。

また、燃料噴射タイミングを進角することによって、燃料噴霧がピストン冠面３Ａに付着する燃料噴射タイミングになったとしても、燃料がピストン冠面３Ａに付着してから火花点火されるまでの時間、つまり、付着した燃料が気化し得る時間は伸びる。特に、圧縮行程の開始後は圧縮作用により筒内の雰囲気温度が上昇して気化が促進される。したがって、進角により燃料噴霧がピストン冠面３Ａに付着する燃料噴射タイミングになったとしても、付着する量が少なければピストン冠面３Ａの残留する液状燃料の増加を抑制する効果は得られる。

上記のように、燃料噴射タイミングを下死点より早めるとピストン冠面３Ａに残留する液状燃料が増加するとは、一概にはいえない。燃料噴射タイミングを圧縮行程から吸気行程へ進角させることで、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の増加を抑制できるのは、ピストン冠面３Ａに衝突する燃料量が減少する、または、衝突により付着した燃料が気化する時間が伸びる、という上述した２つのメカニズムのいずれかによるものである。

本実施形態では、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の推定量の増加に応じて、燃料噴射タイミングを徐々に吸気行程に近付ける。すなわち、液状燃料推定量が増加したら、超リタード成層燃焼から弱成層燃焼に切り替える。これにより、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の増加を抑制しつつ、弱成層燃焼によって排気浄化触媒の暖機を促進できる。

本実施形態では、ピストン冠面３Ａの温度が低いほど、上述した燃料噴射タイミングの進角量を大きくする。ピストン冠面３Ａの温度が低いほど、衝突した燃料噴霧がピストン冠面３Ａに残留し易い。したがって、本実施形態によれば、より確実にピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量を低減できる。

本実施形態では、少なくとも暖機運転（超リタード成層燃焼）の実行中は、燃料の一部を吸気行程中にも噴射する。つまり、吸気行程及び圧縮行程で燃料を噴射する２段噴射を行う。吸気行程で噴射された燃料は、燃焼室１１内に均質で理論空燃比よりもリーンな混合気を形成する。この状態で火花点火すれば外乱に強い燃焼が行われる。

本実施形態では、超リタード成層燃焼の実行中に、コントローラ１００はピストン冠面３Ａに残存する液状燃料の推定量の増加に応じて、ピストン冠面温度が上昇するようにバルブオーバーラップ量を増大させる。バルブオーバーラップ期間が長くなるほど内部ＥＧＲ量が増加し、吸気行程の段階から筒内温度が上昇するので、液状燃料の気化を促進できる。その結果、ＰＮを低減することができる。

本実施形態では、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の推定量の増加に応じて、バルブオーバーラップ量を徐々に大きくする。すなわち、液状燃料推定量の増加に伴い超リタード成層燃焼から弱成層燃焼に切り替わっても、上述したバルブオーバーラップ量の制御を実行する。これにより、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の増加を抑制しつつ、弱成層燃焼によって排気浄化触媒の暖機を促進できる。

本実施形態では、ピストン冠面３Ａの温度が低いほど、バルブオーバーラップ量の変化量を大きくする。ピストン冠面３Ａの温度が低いほど、衝突した燃料噴霧がピストン冠面３Ａに残留し易い。したがって、本実施形態によれば、より確実にピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量を低減できる。

（第２実施形態）
第２実施形態と第１実施形態との相違点は、バルブオーバーラップ期間の算出方法である。以下、この相違点を中心に説明する。

本実施形態でも、コントローラ１００は図２に示す制御ルーチンを実行する。上記のように、本実施形態ではバルブオーバーラップ期間の算出方法が第１実施形態と異なる。つまり、本実施形態では、図２のステップＳ１０６−Ｓ１０７の処理の内容が第１実施形態とは異なる。

図７は、ステップＳ１０６でバルブオーバーラップ期間を算出するために用いるテーブルである。第１実施形態で用いる図５と異なり、バルブオーバーラップ期間は液状燃料推定量の増加に比例して長くなっている。これにより、液状燃料推定量に応じたよりきめ細やかな制御が可能となる。

なお、第１実施形態と同様に、ピストン冠面３Ａの温度毎に図７の同様のテーブルを作成しておき、ピストン冠面３Ａの温度が低いほどバルブオーバーラップ期間が長くなるようにしてもよい。

図８は、ステップＳ１０７で吸気バルブ６及び排気バルブ７のバルブタイミングを設定するために用いるテーブルである。吸気バルブ６及び排気バルブ７のバルブタイミングはバルブオーバーラップ期間と比例関係にある。つまり、バルブオーバーラップ期間が長くなるのに比例して、吸気バルブ６の開タイミングの進角量と排気バルブ７の閉タイミングの遅角量とが大きくなる。

なお、バルブオーバーラップ期間を長くする場合に、吸気バルブ６の開タイミングの進角量を、排気バルブ７の閉タイミングの遅角量よりも大きくする点は第１実施形態で用いる図６と同様である。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に液状燃料の増加を抑制する効果が得られるだけはなく、液状燃料推定量に応じた、より適切なバルブオーバーラップ期間を設定することができる。

なお、上述した各実施形態は、これらの成層燃焼を２回の分割噴射により行うものに限定されるものでもない。例えば、上述した２回の燃料噴射のうち１回目の燃料噴射を省略した単段噴射とし、２回目の燃料噴射のみで成層燃焼を行うようにしてもよい。

また、図９に示すように、超リタード成層燃焼の実行中に液状燃料推定量が所定の閾値以上になったら、コントローラ１００が均質ストイキ燃焼へ切り替えるようにしてもよい。

また、上述した「液状燃料の推定量の増加に応じて、燃料噴射タイミングを徐々に吸気行程に近付ける」とは、図４や図９のように燃料噴射タイミングをステップ的に進角させるものに限定されるものではない。例えば、図１０の実線または破線のように、液状燃料推定量が閾値Ｌ２未満の場合の燃料噴射タイミングの進角量を、液状燃料推定量の増加に応じて連続的に増加させてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

Claims (6)

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、
   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、
   排気通路に介装される排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、燃料噴射タイミングが圧縮行程中であって、点火タイミングを遅らせる触媒暖機運転を実行し、
   前記触媒暖機運転の実行中に、ピストン冠面に残存する液状燃料の推定量に応じて前記燃料噴射タイミングを進角するエンジン制御装置。
2. 請求項１に記載のエンジン制御装置において、
   前記ピストン冠面に残存する液状燃料の推定量が、排気微粒子の排出規制値に基づいて設定した閾値を超えた場合には、前記燃料噴霧が前記点火プラグへ向かうタイミングでの噴射から吸気行程噴射へ前記燃料噴射タイミングを進角するエンジン制御装置。
3. 請求項２に記載のエンジン制御装置において、
   前記ピストン冠面に残留する液状燃料の推定量の増加に応じて前記燃料噴射タイミングを徐々に吸気行程に近付けるエンジン制御装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のエンジン制御装置において、
   ピストン冠面の温度が低いほど前記燃料噴射タイミングの進角量を大きくするエンジン制御装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のエンジン制御装置において、
   少なくとも前記暖機運転の実行中は、燃料の一部を吸気行程中にも噴射するエンジン制御装置。
6. 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、
   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、
   排気通路に介装される排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、圧縮行程中に燃料を噴射し、点火時期を遅らせる触媒暖機運転を実行し、
   前記触媒暖機運転の実行中に、ピストン冠面に残存する液状燃料の推定量に応じて燃料噴射タイミングを進角させるエンジン制御方法。

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