JPWO2016166860A1 - 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、運転者の加速要求を検出する加速要求センサを備え、加速要求がある場合であって筒内におけるピストンの冠面温度が所定温度よりも低い場合に、ピストンの冠面に点火後の火炎が到達するまでの時間が長くなるように点火タイミングを遅角させる。

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。ＪＰ３１９０１３０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。

しかしながら、これらの手法は、排気微粒子（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）の生成量の抑制を全く考慮していない。よって、ピストン冠面の温度が低いときの加速時においてＰＭの排出量（以下、ＰＮ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｎｕｍｂｅｒともいう）増加を抑制することが難しい。

そこで本発明では、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、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、運転者の加速要求を検出する加速要求センサを備え、加速要求がある場合であって筒内におけるピストンの冠面温度が所定温度よりも低い場合に、ピストンの冠面に点火後の火炎が到達するまでの時間が長くなるように点火タイミングを遅角させる。

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、第１実施形態における火花点火タイミングの遅角量を設定するテーブルである。 図４は、第１実施形態における火花点火タイミングを示す図である。 図５は、液状燃料推定量に対して点火タイミングを線形に変化させたときの図である。 図６は、液状燃料推定量に対して点火タイミングを段階的に変化させたときの図である。 図７は、燃料噴射量に対して点火タイミングを線形に変化させたときの図である。 図８は、第１実施形態におけるバルブオーバーラップ期間の長さを設定するテーブルである。 図９は、バルブオーバーラップ期間拡大時におけるバルブタイミング拡大量の説明図である。 図１０は、第１実施形態におけるバルブタイミングのテーブルである。 図１１は、液状燃料推定量に対するバルブタイミングのテーブルである。 図１２は、液状燃料推定量に対してバルブオーバーラップ期間を線形に変化させたときの図である。 図１３は、燃料噴射量に対してバルブオーバーラップ期間を線形に変化させたときの図である。 図１４は、噴射タイミングに対するバルブオーバーラップ期間の説明図である。 図１５は、点火タイミングリタードの効果を説明する第１の図である。 図１６は、点火タイミングリタードの効果を説明する第２の図である。 図１７は、点火タイミングリタードの効果を説明する第３の図である。 図１８は、点火タイミング及びバルブオーバーラップとＰＮ濃度の関係を示す図である。 図１９は、第２実施形態における液状燃料推定量に対するバルブオーバーラップ補正量の説明図である。 図２０は、第２実施形態における燃料噴射量に対するバルブオーバーラップ補正量の説明図である。

以下、図面等を参照して、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、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。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、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。

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。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に、点火タイミングを遅角させるものである。また、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を拡大するものである。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時から継続してアクセルペダルが所定量Ａよりも大きく踏み込まれたか否かを判定する。ここで、所定量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。この所定量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所定量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所定量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。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の処理を実行し、閾値Ｔ１以上の場合はステップＳ１１１の処理を実行する。

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の遅角量を後述するように算出する。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）の遅角量は、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、このテーブルをピストン冠面温度で検索することにより算出する。

図３は、第１実施形態における火花点火タイミングの遅角量を設定するテーブルである。図３は、縦軸が点火タイミングの遅角量を示し、横軸がピストン冠面温度を示している。点火タイミングの遅角量は、ピストン冠面３Ａの温度ＴがＴ＞閾値Ｔ１の場合はゼロ、閾値Ｔ１≧Ｔの場合はＲＴ１である。

ステップＳ１０８で、コントローラ１００は点火タイミングを設定する。具体的には、通常の均質ストイキ燃焼用の点火タイミングとステップＳ１０７で算出した点火タイミングの遅角量ＲＴ１とから新たな点火タイミングを算出する。

図４は、第１実施形態における火花点火タイミングを示す図である。図４には、上記ステップＳ１０７及びＳ１０８の処理を実行した場合の点火タイミングの一例が示されている。図４の縦軸が点火タイミングを示し、横軸がピストン冠面温度Ｔを示している。ピストン冠面温度Ｔが閾値Ｔ１未満の場合には、点火タイミングは通常制御時における均質ストイキ燃焼時の基本点火タイミング（ＭＢＴ）よりも遅角量ＲＴ１だけ遅角するように設定される。

もし仮に、ここで点火タイミングが遅角されない場合には、点火により伝播する火炎がすぐにピストン冠面３Ａへと到達することになる。そうすると、キャビティ１０に残留する液状燃料に火炎が早期に接触しＰＮを増加させてしまう。しかしながら、上述のように、点火タイミングが遅角させられると、点火により伝播する火炎がピストン冠面３Ａへと到達しないか、仮に到達したとしても遅れて到達することになるため、ピストン冠面３Ａに対する火炎の接触時間を短くすることができる。そして、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の燃焼量を少なくしてＰＮの増加を抑制することができる。また、点火タイミングが遅角されると、膨張行程で低温化して火炎がピストン冠面３Ａに到達するため、仮にプールファイアが生じたとしてもその大きさを小さくすることができる。そして、ＰＮの増加を抑制することができる。

なお、ピストン冠面３Ａにおいて残留する液状燃料の推定量（以下、「液状燃料推定量」ということもある）に対する点火タイミングのテーブルを作成しておき、ステップＳ１０７及びステップＳ１０８で点火タイミングを遅角させる際にこのテーブルを参照して液状燃料推定量を求めるようにしてもよい。液状燃料推定量は、ピストン冠面温度と相関関係がある。ピストン冠面温度が高ければ液状燃料は蒸発しやすいため、ピストン冠面３Ａにおける液状燃料推定量は少なくなる。一方、ピストン冠面温度が低ければ液状燃料は蒸発しにくいため、ピストン冠面３Ａにおける液状燃料推定量は多くなる。

よって、液状燃料推定量が多いほど、火花点火タイミングの遅角量が大きくなるようにテーブルを設定しておく。液状燃料推定量が多くなるほど、図３の点火タイミング遅角量が上にシフトしたテーブルになる。液状燃料推定量が多いほど、液状燃料が火炎と接触した場合にＰＮは増加する。しかしながら、上記のように点火タイミングの遅角量を算出することで、ピストン冠面３Ａにおける液状燃料に対する火炎の接触時間を短くすることができる。そして、ＰＮの増加を抑制することができる。

図５は、液状燃料推定量に対して点火タイミングを線形に変化させたときの図である。このように、液状燃料推定量に対して点火タイミングを線形に変化させた場合であっても、上記と同様の作用によりＰＮの増加を抑制することができる。

図６は、液状燃料推定量に対して点火タイミングを段階的に変化させたときの図である。このように、液状燃料推定量に対して点火タイミングを段階的変化させた場合であっても、上記と同様の作用によりＰＮの増加を抑制することができる。

なお、液状燃料量の推定に際して、ピストン冠面温度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ことができる。具体的には、まず、ピストン冠面温度が低いほど液状燃料がピストン冠面３Ａに残留しやすいという特性に基づいて、ピストン冠面温度毎に単位時間あ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。

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やすくなるので、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。

また、ピストン冠面３Ａへの燃料噴射量に対する点火タイミングのテーブルを作成しておき、ステップＳ１０７及びステップＳ１０８で点火タイミングを遅角させる際に燃料噴射量に応じたテーブルを選択するようにしてもよい。燃料噴射量が多ければ、ピストン冠面３Ａにおける液状燃料の残留量は多くなる。一方、燃料噴射量が少なければ、ピストン冠面３Ａにおける液状燃料の残留量は少なくなる。

よって、燃料噴射量が多い場合のテーブルほど、点火タイミングの遅角量を大きく設定しておく。燃料噴射量が多くなるほど、図３の点火タイミングの遅角量が上にシフトしたテーブルになる。燃料噴射量が多いほどピストン冠面３Ａに残留する液状燃料推定量も多くなるため、それが火炎と接触した場合にＰＮが増加する。しかしながら、上記のように火花点火タイミングの遅角量を算出することで、より確実にピストン冠面３Ａにおける液状燃料に対する火炎の接触時間を短くすることができる。そして、ＰＮの増加を抑制することができる。

図７は、燃料噴射量に対して点火タイミングを線形に変化させたときの図である。このように、燃料噴射量に対して点火タイミングを線形に変化させた場合であっても、上記と同様の作用によりＰＮの増加を抑制することができる。

図２のフローチャートの説明に戻る。

ステップＳ１０９で、コントローラ１００は、ピストン冠面温度Ｔ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８は、第１実施形態におけるバルブオーバーラップ期間の長さを設定するテーブルである。図８は、縦軸がバルブオーバーラップ期間を示し、横軸がピストン冠面温度Ｔを示している。図８では、バルブオーバーラップ期間は、ピストン冠面温度ＴがＴ＜Ｔ１の場合はＶ１、Ｔ≧Ｔ１の場合は基本オーバーラップ期間Ｖ０となっている。ここで、Ｖ０＜Ｖ１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、所謂内部ＥＧＲガス量が増加する。内部ＥＧＲガスは高温であるため、これが筒内に吸入されること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８のテーブルは、冠面温度Ｔが低いと、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。

ステップＳ１１０で、コントローラ１００はステップＳ１０９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２０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２０の変換角を変更する。

図９は、バルブオーバーラップ期間拡大時におけるバルブタイミング拡大量の説明図である。本実施形態では、図９に示されるように、吸気バルブ６の開タイミングの進角量が排気バルブ７の閉タイミングの遅角量よりも大きくなるように設定される。

このように、吸気バルブ６の開タイミングをより進角させてバルブオーバーラップ期間を拡大することで、排気行程において内部ＥＧＲガスが吸気ポート側に戻る量を多くすることができる。吸気ポートに戻った内部ＥＧＲガスは次の吸気行程で筒内に流入する。そして、所謂内部ＥＧＲ量を効果的に増加させることができる。

図１０は、第１実施形態におけるバルブタイミングのテーブルである。図１０は、ステップＳ１０９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、を求めるためのテーブルである。図１０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。バルブオーバーラップ期間が基本バルブオーバーラップ期間Ｖ０（図８）の場合は、吸気バルブ６の開タイミングがＩＶＯ０、排気バルブ７の閉タイミングが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６の開タイミングがＩＶＯ０より進角したＩＶＯ１、排気バルブ７の閉タイミングがＥＶＣ０より遅角したＥＶＣ１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６の開タイミングと排気バルブ７の閉タイミングは、排気上死点を挟むように設定されている。

このように、本実施形態において、超リタード成層燃焼時にアクセルペダルが所定量Ａよりも大きく踏み込まれた場合であってピストン冠面温度Ｔが閾値Ｔ１未満である場合には、バルブオーバーラップ期間を拡大させるので、内部ＥＧＲが増加する。内部ＥＧＲが増加すると高温のＥＧＲガスにより筒内温度を上昇させることができる。そして、ピストン冠面３Ａにおける液状燃料を蒸発させて、ピストン冠面３Ａに溜まった液状燃料を減少させることができる。そして、ＰＮの増加を抑制することができる。

また、ＥＧＲガスは、筒内の酸素濃度を引き下げるため火花点火後の燃焼温度を引き下げる特性を有する。燃焼温度が低いと化学反応的にＰＭの発生を抑制することができる。よって、バルブオーバーラップ期間を拡大することで、ＰＮの増加を抑制することができる。

なお、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料推定量に対する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Ｓ１０９及びステップＳ１１０でバルブオーバーラップ期間を拡大させる際に、このテーブルを参照してバルブオーバーラップ期間を求めるようにしてもよい。液状燃料推定量は、ピストン冠面温度と相関関係がある。ピストン冠面温度が高ければ液状燃料は蒸発しやすいため、ピストン冠面３Ａにおける液状燃料推定量は少なくなる。一方、ピストン冠面温度が低ければ液状燃料は蒸発しにくいため、ピストン冠面３Ａにおける液状燃料推定量は多くなる。

図１１は、液状燃料推定量に対するバルブタイミングのテーブルである。図１１に示されるように、液状燃料推定量が多いほど、バルブオーバーラップ期間が長くなるようにテーブルを設定しておく。液状燃料推定量が多いほど、液状燃料が火炎と接触した場合にＰＮが増加する。しかしながら、上記のようにバルブオーバラップ期間を求めることで、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量を減少させることができる。そして、ＰＮの増加を抑制することができる。また、前述のように内部ＥＧＲの効果を高めることができるので、これによってもＰＮの増加を抑制することができる。

図１２は、液状燃料推定量に対してバルブオーバーラップ期間を線形に変化させたときの図である。このように、液状燃料推定量に対してバルブオーバーラップ期間を線形に変化させた場合であっても、上記と同様の作用によりＰＮの増加を抑制することができる。

また、燃料噴射量に対する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Ｓ１０９及びＳ１１０でバルブオーバーラップ期間を拡大させる際にこのテーブルを参照してバルブオーバーラップ期間を求めるようにしてもよい。燃料噴射量が多ければ、ピストン冠面３Ａにおける液状燃料の残留量は多くなる。一方、燃料噴射量が少なければ、ピストン冠面３Ａにおける液状燃料の残留量は少なくなる。

よって、燃料噴射量が多いほど、バルブオーバーラップ期間が長く設定されるようにテーブルを設定しておく。燃料噴射量が多くなるほど、図８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。燃料噴射量が多いほどピストン冠面３Ａに残留する液状燃料推定量も多くなり、液状燃料が火炎と接触した場合にＰＮは増加する。しかしながら、上記のようにバルブオーバーラップ期間を求めることで、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量を減少させることができる。そして、ＰＮの増加を抑制することができる。また、前述のように内部ＥＧＲの効果を高めることができるので、これによってもＰＮの増加を抑制することができる。

図１３は、燃料噴射量に対してバルブオーバーラップ期間を線形に変化させたときの図である。このように、燃料噴射量に対してバルブオーバーラップ期間を線形に変化させた場合であっても、上記と同様の作用によりＰＮの増加を抑制することができる。

図１４は、噴射タイミングに対するバルブオーバーラップ期間の説明図である。図１４に示されるようなテーブルを用いて、噴射タイミングに基づいてバルブオーバーラップ期間を求めることとしてもよい。図１４は、縦軸がバルブオーバーラップ期間を示し、横軸が燃料の噴射タイミングを示している。ここで、燃料の噴射タイミングは圧縮上死点前である。そして、横軸において右方向に向かうほど圧縮上死点よりも前のタイミングに向かうことになる。

図１４のテーブルにおいて、噴射タイミングが上死点に近づくほどバルブオーバーラップ期間が長くなるようにされている。噴射タイミングが上死点に近づくと、燃料がピストン冠面３Ａに付着しやすくなる。すなわち、ピストン冠面３Ａに液状燃料が残存しやすくなる。しかしながら、ここでは、噴射タイミングが上死点に近づくほどバルブオーバーラップ期間が長くなるように設定するので、ピストン冠面３Ａの液状燃料の残留量を減らして、ＰＮの増加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Ｓ１０９−Ｓ１１０の処理を、ステップＳ１０７−Ｓ１０８の処理より先に実行してもよい。また、ステップＳ１０７−Ｓ１０８の処理、及び、ステップＳ１０９−Ｓ１１０の処理、のいずれか一方のみを実行することとしてもよい。

ステップＳ１０１またはステップＳ１０６の判定の結果、ステップＳ１１１が実行された場合には、通常制御が行われる。通常制御は、均質ストイキ燃焼をＭＢＴで行わせる運転制御である。再度、図３及び図４を参照すると、冠面温度Ｔが閾値Ｔ１以上であった場合には、点火タイミングの遅角量はゼロにされ、点火タイミングはＭＢＴを実行するべく基本点火タイミングとされる。また、冠面温度Ｔが閾値Ｔ１以上であった場合には、バルブオーバーラップ期間はＶ０へと相対的に短く設定される。そして、吸入空気の吹き抜け量の増加を抑制して、シリンダ堆積効率が高くなるように設定される。例えば、シリンダ堆積効率が最も高くなるように設定される。これにより、ピストン冠面温度が高まった場合には、超リタード成層燃焼から均質ストイキ燃焼に切り替わった場合であっても加速要求に対して十分な加速を実現する。

上述した制御ルーチンをまとめると、コントローラ１００は均質ストイキ燃焼制御時においてピストン冠面３Ａの温度Ｔを取得する。ピストン冠面３Ａの温度Ｔが閾値Ｔ１以上の場合は、コントローラ１００は均質ストイキ燃焼をＭＢＴで行う通常制御を行う。一方、ピストン冠面３Ａの温度Ｔが閾値Ｔ１未満の場合には、コントローラ１００は、火花点火タイミングを通常制御時よりも遅角させ、バルブオーバーラップ期間を通常制御時よりも拡大する。

なお、上述の実施形態において、ピストン冠面温度に対して段階的に点火タイミング及びバルブオーバーラップ期間が変化させられたが、点火タイミング及びバルブオーバーラップ期間をピストン冠面温度に対して線形に変化させられるようにしてもよい。

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の形状に沿って前記点火プラグ８へ向かう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から均質ストイキ燃焼制御に切り替わった後においてピストン冠面３Ａの温度が所定温度よりも低い場合に、ピストン冠面３Ａに点火後の火炎が到達するまでの時間が長くなるように火花点火タイミングを遅角させる。

燃料噴霧をピストン冠面３Ａに衝突させており、かつ、超リタード成層燃焼を実行させているときにおいて、液状燃料がピストン冠面３Ａに溜まりやすい。このような状況下で、例えば、アクセルペダルが所定量Ａよりも大きく踏み込まれ加速状態になると、均質燃焼をＭＢＴで行おうとするため、ピストン冠面３Ａに溜まった燃料に火炎が接触する。そして、これによりＰＭが生成されてしまう。

しかしながら、本実施形態では、このような状況下において、ピストン冠面３Ａに点火後の火炎が到達するまでの時間が長くなるように火花点火タイミングを遅角させるので、ＰＭの発生時間を短くすることができる。そして、ＰＮの増加を抑制することができる。

また、本実施形態のように、ピストン冠面３Ａにおいて残存する液状燃料の推定量が多いほど、火花点火タイミングを遅角させることとしてもよい。このようにすることで、ピストン冠面３Ａにおいて残存する液状燃料が多いほど、火炎と液状燃料との接触を生じさせにくくすることができる。そして、ＰＭの生成を抑制してＰＮの増加を抑制することができる。

また、本実施形態のように、筒内における燃料噴射量が多いほど、火花点火タイミングの遅角量を大きくすることとしてもよい。燃料噴射量が多ければピストン冠面３Ａにおいて残存する液状燃料も多くなると考えられる。よって、燃料噴射量が多いほど、火花点火タイミングの遅角量を大きくすることで、火炎と液状燃料の接触を生じさせにくくすることができる。

また、本実施形態では、超リタード成層燃焼の実行中に、アクセルペダルが所定量Ａよりも大きく踏み込まれた場合であって筒内におけるピストン冠面３Ａの温度が所定温度より低い場合にバルブオーバーラップ期間を拡大させる。

燃料噴霧をピストン冠面３Ａに衝突させており、かつ、超リタード成層燃焼を実行させると、液状燃料がピストン冠面３Ａに溜まりやすい。このような状況下で、アクセルペダルが所定量Ａよりも大きく踏み込まれ加速状態になると、均質燃焼をＭＢＴで行う制御に切り替わるのでＰＮが増加してしまう。

しかしながら、本実施形態では、このような状況下においてバルブオーバーラップ期間を拡大させて内部ＥＧＲを増加させる。内部ＥＧＲが増加すると高温のＥＧＲガスにより燃焼室温度を上昇させることができる。そして、ピストン冠面３Ａにおける液状燃料を蒸発させて、ピストン冠面３Ａに溜まった液状燃料を減少させることができる。そして、ＰＮの増加を抑制することができる。

また、ＥＧＲガスは、筒内の酸素濃度を引き下げるため燃焼温度を引き下げる特性を有する。燃焼温度が低いと化学反応的にＰＭの発生を抑制することができる。よって、バルブオーバーラップ期間を拡大することでＰＮの増加を抑制することができる。

また、本実施形態のように、ピストン冠面３Ａに残存する液状燃料が多いほどバルブオーバーラップ期間を拡大させることとしてもよい。バルブオーバーラップ期間を拡大させることによって所謂内部ＥＧＲ量を増加させることができる。内部ＥＧＲ量を増加させると、燃焼ガスの温度を利用してピストン冠面３Ａの温度をより上昇させて、液状燃料をより減少させることができる。そのため、ピストン冠面３Ａに残存する液状燃料が多くなったとしても、バルブオーバーラップ期間を拡大させることで、内部ＥＧＲを増加させることができる。そして、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料をより気化させることができる。

また、筒内に噴射される燃料噴射量が多いほどバルブオーバーラップ期間を拡大させることとしてもよい。バルブオーバーラップ期間を拡大させることによって内部ＥＧＲ量を増加させることができる。内部ＥＧＲ量を増加させると、燃焼ガスの温度を利用してピストン冠面３Ａの温度をより上昇させて、液状燃料をより減少させることができる。そのため、加速時のように燃料噴射量が多いことによりピストン冠面３Ａに残存する液状燃料が多くなったとしても、バルブオーバーラップ期間を拡大させて内部ＥＧＲ量を増加させることができる。そして、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料をより気化させることができる。

また、燃料噴射タイミングが、例えば、ピストン上死点付近の場合などピストン冠面３Ａに液状燃料が付着しやすい噴射タイミングである場合に、バルブオーバーラップ期間を拡大させることとしてもよい。ピストン冠面３Ａに液状燃料が付着しやすい噴射タイミングによりピストン冠面３Ａに残存する液状燃料が多くなる可能性があったとしても、バルブオーバーラップ期間を拡大させることで内部ＥＧＲ量を増加させることができる。そして、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料を気化させることができる。

また、本実施形態では、バルブオーバーラップ期間を拡大させる際に、排気上死点から排気バルブ７を閉にするまでの期間よりも、吸気バルブ６を開にしてから排気上死点までの期間が長くなるようにバルブオーバーラップ期間を拡大させる。このように、吸気バルブ６を開にしてから排気上死点までの期間が長くなるようにバルブオーバーラップ期間を拡大することで、排気行程において内部ＥＧＲガスが吸気ポート側に戻る量を多くすることができる。吸気ポートに戻った内部ＥＧＲガスは次の吸気行程で筒内に流入する。そして、所謂内部ＥＧＲ量を効果的に増加させることができる。

図１５は、点火タイミングリタードの効果を説明する第１の図である。図１６は、点火タイミングリタードの効果を説明する第２の図である。図１７は、点火タイミングリタードの効果を説明する第３の図である。図１５から図１７には、点火タイミングを異ならせたときの燃焼室内の燃焼状態が示されている。これらの図において、白く表れているのは燃焼室内の輝炎である。輝炎が発生するとＰＭが多く発生することが知られている。すなわち、輝炎が発生している期間が長くなると、ＰＭも多く発生することになる。

図１５から図１７において、最上段は、超リタード成層燃焼（ＦＩＲ）制御を行っているときにおいて、ＡＴＤＣ（上死点後）１０（ｄｅｇ）を点火タイミングとしたときの燃焼室内の写真である。中段は、超リタード成層燃焼から均質燃焼に切り替えた直後において、上死点後−５（ｄｅｇ）を点火タイミングとしたときの燃焼室内の写真である。すなわち、上死点前５（ｄｅｇ）を点火タイミングとしたときの燃焼室内の写真である。最下段は、超リタード成層燃焼から均質燃焼に切り替えた直後において、−２５（ｄｅｇ）を点火タイミングとしたときの燃焼室内の写真である。すなわち、上死点前２５（ｄｅｇ）を点火タイミングとしたときの燃焼室内の写真である。

図１５には、上死点後−３０（ｄｅｇ）から上死点後４０（ｄｅｇ）の写真を示している。また、図１６には、上死点後４０（ｄｅｇ）から上死点後１１０（ｄｅｇ）の写真を示している。図１７には、上死点後１１０（ｄｅｇ）から上死点後１８０（ｄｅｇ）の写真を示している。

図１５から図１７を参照すると、超リタード成層燃焼（最上段）の場合、上死点後７０（ｄｅｇ）前後から上死点後１４０（ｄｅｇ）前後まで輝炎が発生している。ただし、他の点火タイミングの写真と比較して、輝炎は強くないことが読み取れる。

また、超リタード成層燃焼から均質燃焼に切り替えた直後において、上死点後−２５（ｄｅｇ）を点火タイミングとした場合（最下段）の場合、上死点後−１０（ｄｅｇ）前後（すなわち、上死点前１０（ｄｅｇ）前後）から上死点後１２０（ｄｅｇ）前後まで輝炎が発生している。そして、これらの輝炎の強度は他の点火タイミングのものと比して強いことが読み取れる。

これに対し、本実施形態のように、超リタード成層燃焼から均質燃焼に切り替えた直後において、上死点後−５（ｄｅｇ）を点火タイミングとした場合（中段）の場合、上死点後２０（ｄｅｇ）前後から上死点後１２０（ｄｅｇ）前後まで輝炎が発生している。つまり、これらの輝炎発生期間は、上死点後−２５（ｄｅｇ）を点火タイミングとした場合に比べて短くなっている。さらに、輝炎の強度も、点火タイミングを上死点後−２５（ｄｅｇ）とした場合に比して弱くなっていることが読み取れる。

このように、本実施形態のように、点火タイミングを遅角させることで火炎がピストン冠面３Ａに到達しにくくなるため、輝炎の発生期間が短くすることができる。そして、ＰＮの増加を抑制することができている。また、内部ＥＧＲの効果により燃焼温度も低下する。これにより、さらにＰＮの増加を抑制することができる。

図１８は、点火タイミング及びバルブオーバーラップとＰＮ濃度の関係を示す図である。図１８において、横軸は点火タイミングを示し、縦軸はＰＮ濃度を示す。そして、図１８には、バルブオーバーラップが小さいときの結果と、バルブオーバーラップを拡大したときの結果が示されている。

これらの結果によると、バルブオーバーラップを拡大した方がＰＮ濃度を小さくできることがわかる。また、点火タイミングを遅角させるとその効果がさらに大きくなることがわかる。

（第２実施形態）
前述のようにしてバルブオーバーラップ期間を求めた後、バルブオーバーラップ期間を以下のようにして補正することとしてもよい。

図１９は、第２実施形態における液状燃料推定量に対するバルブオーバーラップ補正量の説明図である。図２０は、第２実施形態における燃料噴射量に対するバルブオーバーラップ補正量の説明図である。

そして、次のような式を用いて、補正後バルブＯ／Ｌ量を求める。

補正後バルブＯ／Ｌ期間＝バルブＯ／Ｌ期間×（補正値（液状燃料推定量）＋補正値（燃料噴射量）−１）

上式において、「バルブＯ／Ｌ期間」は、前述の実施形態で最終的に求められたバルブオーバーラップ期間である。ここでは、既に求められたバルブオーバーラップ期間を補正値で補正し、補正後バルブオーバーラップ期間を求める。そして、補正後バルブオーバーラップ期間を用いてバルブオーバーラップ制御を行う。

また、上式において、「補正値（液状燃料推定量）」は、図１９に示される関数である。また、上式において、「補正値（燃料噴射量）」は、図２０に示される関数である。つまり、ここでは、ピストン冠面３Ａの温度によって求められたバルブオーバーラップ期間が、液状燃料推定量から求められる補正値と、燃料噴射量から求められる補正値とを用いて補正される。

このようにすることで、ピストン冠面３Ａの温度によって求められたバルブオーバーラップ期間を、液状燃料推定量と燃料噴射量とを用いて補正して、より適正なバルブオーバーラップ期間を求めることができる。

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。

上述した各実施形態は、それぞれ単独の実施形態として説明したが、適宜組み合わせてもよい。

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、
   運転者の加速要求を検出する加速要求センサを備え、
   前記加速要求がある場合であって前記筒内におけるピストンの冠面温度が所定温度よりも低い場合に、前記ピストンの冠面に点火後の火炎が到達するまでの時間が長くなるように点火タイミングを遅角させ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、
   前記ピストンの冠面に残存する液状燃料量が多いほど、前記点火タイミングを遅角させるエンジン制御装置。
3. 請求項１に記載のエンジン制御装置において、
   前記筒内に噴射される燃料噴射量が多いほど、前記点火タイミングを遅角させ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であって、
   前記ピストンの冠面温度が前記所定温度以上の場合に、前記筒内における燃焼室全体に理論空燃比の混合気を形成し、当該理論空燃比の混合気にトルク最大点における点火時期で火花点火させ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であって、
   吸気バルブの開期間と排気バルブの開期間とのバルブオーバーラップ期間を調整するバルブオーバーラップ期間調整機構を備え、
   さらに、排気上死点を挟む前記吸気バルブの開期間と前記排気バルブの開期間とのバルブオーバーラップ期間を拡大させ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、
   運転者の加速要求を検出する加速要求センサと、
   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、
   前記加速要求がある場合であって前記筒内におけるピストンの冠面温度が所定温度よりも低い場合に、前記ピストンの冠面に点火後の火炎が到達するまでの時間が長くなるように点火タイミングを遅角させるエンジン制御方法。