JP2008184969A - ガソリンエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＣＣＩ燃焼の際に吸排気の負のオーバーラップ期間を設けて気筒内２の温度を高めることにより、予混合気の圧縮自己着火を促進するようにしたガソリンエンジン１において、その自己着火の安定性を高めるとともに、燃費等の改善効果をあまり損なうことなく、触媒２７の昇温を促進できるようにする。
【解決手段】ＨＣＣＩ領域（Ｉ）では、吸気行程でポートインジェクタ１９により燃料を噴射させて、気筒２内に略均一な予混合気を形成するとともに、圧縮行程で直噴インジェクタ１８により少量の燃料を噴射させて、点火プラグ１６周りに成層化混合気を形成し、これに点火して燃焼させることにより、予混合気の自己着火を誘発する。触媒２７の温度が低い未活性のときは、ＨＣＣＩ領域（Ｉ）における中負荷ないし高負荷で且つ相対的に低回転側の特定領域において前記成層化混合気へのの点火を禁止する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、気筒内の予混合気を圧縮して自己着火により燃焼させるようにしたガソリンエンジンに関し、特に、自己着火の起き難い低負荷、低回転側の運転領域において、気筒の排気行程ないし吸気行程で吸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、気筒内の温度を高めるようにしたものに係る。

近年、ガソリンエンジンのさらなる燃費改善や排気清浄化を図るために、気筒内の予混合気を圧縮して自己着火により燃焼させるという新しい燃焼形態が提案されており、一般には、予混合圧縮着火燃焼（以下、ＨＣＣＩ燃焼ともいう）という呼称で知られている。この新しい燃焼形態では、従来一般的な火花点火による燃焼（以下、ＳＩ燃焼ともいう）とは異なり、気筒内の多数の箇所で予混合気が一斉に自己着火して燃焼を始めることから、熱効率が極めて高くなる。

また、従来のＳＩ燃焼を実現できない超希薄な予混合気や多量のＥＧＲによって希釈した予混合気であっても、ピストンにより圧縮された気筒内の温度が所定以上に高くなれば自己着火するようになり、燃焼期間そのものは短いものの激しい燃焼にはならないことから、窒素酸化物の生成も格段に少なくなる。

但しエンジンが相対的に低負荷、低回転側の運転領域にあるときには、圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍においても予混合気の温度が自己着火温度まで上昇しない可能性があり、これに対し特許文献１に記載のガソリンエンジンでは、気筒の排気行程から吸気行程にかけ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、多量の既燃ガスを残留させること（以下、内部ＥＧＲともいう）で、気筒内の温度を高めるようにしている。

また、前記従来例のエンジンでは、負のオーバーラップ期間中に燃料の一部を噴射することによって、自己着火し易い活性化混合気を形成するようにしている。すなわち、高温の既燃ガス中に噴射された燃料は直ちに気化するとともに、分子の鎖が切れてラジカルを生成したり、アルデヒド程度まで部分酸化反応したりして自己着火し易い混合気となり、これが圧縮行程終盤以降における予混合気全体の自己着火を促進すると考えられている。

ところで、前記のように熱効率の極めて高いＨＣＣＩ燃焼では、その分、排気温度が低くなるため、例えばエンジンの始動時に触媒の温度が活性化温度に達していないときに、この触媒の温度を排気によって速やかに上昇させることができないという難がある。この点につき特許文献２に記載のエンジンでは、触媒の温度が低いときには本来、ＨＣＣＩ燃焼とする運転領域にあっても敢えてＳＩ燃焼として、相対的に温度の高い排気によって触媒の温度上昇を促すようにしている。
特開２００１−８２２２９号公報 特開２００２−４７９６９号公報

しかしながら、前者の従来例（特許文献１）のように多量の内部ＥＧＲガスによって気筒内の温度を高め、さらに活性化混合気を形成するようにしていても、元々、気筒内の温度状態が低い低負荷低回転の一部の運転領域では予混合気を安定して自己着火させることができない場合がある。

また、後者の従来例（特許文献２）のように、触媒の温度上昇を促すために、ＨＣＣＩ燃焼とすることができる運転領域においてもＳＩ燃焼とするのでは、ＨＣＣＩ燃焼による燃費やエミッションの改善効果を目減りさせることになり、好ましくない。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、所謂負のオーバーラップ期間を設けて気筒内の温度を高めることにより、予混合気の圧縮による自己着火を促進するようにしたガソリンエンジンにおいて、その自己着火の安定性を高めるとともに、燃費等の改善効果をあまり損なうことなく、触媒の昇温を促進できるようにすることにある。

前記の目的を達成するために本発明に係るエンジンの制御装置では、気筒内に圧縮行程で燃料を供給して点火プラグ周りに成層化混合気を形成し、これに点火して燃焼させることにより予混合気の自己着火を誘発するようにした。そして、その上で、特に触媒温度の低いときに限っては前記の点火を禁止するようにした。

具体的に請求項１の発明では、エンジンが所定運転領域にあるときに、気筒内に少なくとも吸気行程で燃料を供給して、略均一な予混合気を形成するとともに、該気筒の排気行程ないし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、残留する既燃ガスによって気筒内の温度を高めることにより、圧縮行程の終盤以降における予混合気の自己着火を促進するようにしたガソリンエンジンの制御装置を対象とする。

そして、エンジンの排気系に排気浄化用の触媒が設けられている場合に、気筒内に燃料を直接、噴射するように燃料噴射弁を設けるとともに、この燃料噴射弁により気筒内に圧縮行程で燃料を噴射させて、点火プラグ周りに偏在する成層化混合気を形成する成層化混合気形成手段と、該点火プラグにより所定のタイミングで成層化混合気に点火する点火制御手段と、を備える。その上さらに、前記触媒の温度が所定温度以下であることを検出する触媒温度検出手段と、これにより触媒温度の前記所定温度以下であることが検出されたときには、前記点火制御手段による点火制御を禁止する点火禁止手段と、を備える。

前記の構成により、まず、エンジンが所定運転領域にあるときには、気筒の排気行程ないし吸気行程において所定期間（負のオーバーラップ期間）、吸気弁及び排気弁の双方が閉じられて、気筒内に多量の既燃ガス（内部ＥＧＲガス）が残留するようになる。この内部ＥＧＲガスは吸気行程にて気筒内に吸入される吸気と混合されるとともに、少なくとも吸気行程で気筒内に供給される燃料とも混合されて、その気化霧化を促進する。すなわち、燃料は吸気及び内部ＥＧＲガスと混合されるとともに、ピストンの下降に伴い容積の拡大する気筒内に分散して、概ね均一な予混合気を形成する。

続いて気筒の圧縮行程におけるピストンの上昇に伴い予混合気が圧縮されて、その温度及び圧力が上昇する。そして、成層化混合気形成手段により燃料噴射弁が作動されて、気筒内に燃料が供給され、点火プラグ周りに成層化混合気が形成される。この成層化混合気がＴＤＣ近傍の所定のタイミングにて点火され燃焼すると、気筒内の予混合気の温度及び圧力がさらに上昇して、その自己着火が誘発される（ＨＣＣＩ燃焼）。

つまり、点火プラグ周りに形成した成層化混合気への点火を契機として、気筒内の予混合気を確実に自己着火させることができ、その自己着火の安定性を十分に確保できる。また、自己着火のタイミングを最適化して、燃費やエミッションの改善効果を高めることも可能になる。

その上さらに、排気系に設けられた触媒の温度が所定温度（例えば活性化温度）以下で、その浄化性能が不十分であると考えられるときには、前記した成層化混合気への点火が点火禁止手段によって禁止される。この成層化混合気内には濃度（Ａ／Ｆ）のばらつきが在るため、気筒内の予混合気が自己着火して燃焼すると一部が不完全な燃焼状態になり、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）が増大する。そして、それらＣＯ、ＨＣが触媒に供給されて酸化されることで、触媒の温度が速やかに上昇するようになる。

尚、前記のように成層化混合気内には濃度（Ａ／Ｆ）のばらつきが在り、不完全な燃焼状態にはなるものの、例えば圧縮上死点後の膨張行程にて噴射した場合のように、気化霧化の不充分な燃料が蒸し焼きになって煤を生成するようなことはなく、増大した排気中のＣＯ、ＨＣも触媒にて酸化されることになるので、エミッションは悪化しない。

但し、仮に予混合気が自己着火しないとすれば、エミッションは大幅に悪化することになるので、失火の懸念があるときには前記のように成層化混合気への点火を禁止しない方がよい。つまり、点火禁止手段として好ましいのは、エンジンがＨＣＣＩ燃焼の状態になる所定運転領域の中で相対的に高負荷側にあるときに点火制御手段による点火制御を禁止するものであり（請求項２）、こうすれば、エンジンの燃焼安定性を十分に確保しながら、触媒の昇温を促進することができる。

また、好ましいのは、成層化混合気形成手段を、エンジンが所定運転領域の中で相対的に低回転側にあるときに成層化混合気を形成するための燃料噴射を行うものとし、同様に点火制御手段も、エンジンが前記低回転側にあるときに前記成層化混合気に点火するものとすることがである（請求項３）。

すなわち、成層化した混合気に点火して燃焼させるようにすると、たとえその混合気の量が少しであっても窒素酸化物（ＮＯｘ）が増えることになるので、気筒の温度が相対的に高い高回転側では成層化混合気の形成やそれへの点火は行わない方がよいからである。この点から、成層化混合気を形成するための燃料の噴射量は、それに点火して燃焼させる場合には、火花点火が可能な成層化混合気を形成するための必要最小量とするのが好ましい。

一方、触媒温度が所定温度以下で成層化混合気への点火を行わないときには、燃料の噴射量はさらに少ない方がよい。この場合には触媒温度の上昇に伴い燃料噴射量を減少させることが好ましく（請求項４）、こうすれば、触媒の昇温を促進しながらエンジン出力に寄与しない燃料噴射量を最小限に抑えて、燃費の悪化を可及的に抑制できる。

以上、説明したように本発明に係るガソリンエンジンの制御装置によると、吸排気弁の作動に所謂負のオーバーラップ期間を設けて、気筒内の温度を高めることにより、予混合気の圧縮自己着火を促進するようにしたガソリンエンジンにおいて、予混合気の形成のための燃料供給とは別に、気筒内に圧縮行程で少量の燃料を供給し、点火プラグ周りに成層化させた混合気に点火して燃焼させることにより、予混合気の自己着火によるＨＣＣＩ燃焼の安定性を確保することができる。

また、予混合気の自己着火のタイミングを最適なものとして、燃費やエミッションの改善効果を十分に得ることができるとともに、ＨＣＣＩ燃焼を行うエンジン運転領域を従来よりも低負荷、低回転側に拡大することも可能になる。

その上で、触媒の温度が低くて浄化性能が不十分なときには、前記成層化混合気への点火を禁止することで排気中のＣＯ、ＨＣを増大させ、これにより触媒の温度上昇を効果的に促進することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（全体構成）
図１は本発明に係るエンジン制御装置Ａの全体構成を示し、符号１は、車両に搭載された多気筒ガソリンエンジンである。このエンジン１の本体は、複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）が設けられたシリンダブロック３上にシリンダヘッド４が配置されてなり、各気筒２内にはピストン５が嵌挿されて、その頂面とシリンダヘッド４の底面との間に燃焼室６が形成されている。ピストン５はコネクティングロッドによってクランク軸７に連結されており、クランク軸７の一端側にはその回転角（クランク角）を検出するためのクランク角センサ８が配設されている。

前記シリンダヘッド４には、各気筒２毎に燃焼室６の天井部に開口するように吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。吸気ポート９は燃焼室６の天井部から斜め上方に向かって延びて、シリンダヘッド４の一側面に開口しており、排気ポート１０は反対側の他側面に開口している。吸気ポート９及び排気ポート１０は、それぞれ吸気弁１１及び排気弁１２によって開閉されるようになっており、これら吸排気弁１１，１２は、シリンダヘッド４に配設された動弁機構１３のカム軸（図示せず）によりクランク軸７の回転に同期して駆動されるようになっている。

前記動弁機構１３には、吸気側及び排気側にそれぞれ、弁リフト量を連続的に変更可能な公知のリフト可変機構１４（以下、ＶＶＬと略称する）と、弁リフトのクランク回転に対する位相角を連続的に変更可能な公知の位相可変機構１５（以下、ＶＶＴと略称する）と、が組み込まれており、それらの作動によって吸排気弁１１，１２のリフト特性を変更し、気筒２への吸気の充填量や残留既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量を調整することができる。尚、ＶＶＬ１４については例えば特開２００６−３２９０２２号公報、２００６−３２９０２３号公報等に記載されたものを使用すればよい。

また、各気筒２の燃焼室６の天井部に電極を臨ませて点火プラグ１６が配設され、点火回路１７によって所定の点火タイミングにて通電されるようになっている。一方、燃焼室６の吸気側の周縁部に先端を臨ませて気筒２内に燃料直接、噴射する直噴インジェクタ１８が配設されている。この直噴インジェクタ１８は、比較的少量の燃料を噴射するときに高い精度で流量制御が可能な小容量のものであり、これにより気筒２の圧縮行程の中盤以降に少量の燃料を噴射すると、点火プラグ１６の電極近傍に偏在する混合気塊（成層化混合気）が形成される。

また、この実施形態では、吸気ポート９に臨んで燃料を噴射するようにポートインジェクタ１９が配設されている。このポートインジェクタ１９は、エンジン１の最大トルクに対応して多量の燃料を噴射可能な大容量のものであり、気筒２の圧縮行程から膨張、排気及び吸気行程にかけて燃料を噴射することで、高回転域でも十分な噴射時間を確保することができる。そうして噴射された燃料噴霧は吸気と共に気筒２内に流入し、ピストン５の下降に伴い容積の拡大する気筒２内に広く分散して、概ね均一な予混合気を形成する。

尚、前記各気筒２毎のインジェクタ１８，１９には、図示しないが、それぞれ高圧及び低圧燃料供給ラインが接続されている。低圧の供給ラインには低圧燃料ポンプにより燃料タンクから吸い上げられた燃料が供給され、この低圧の供給ラインから分岐した高圧の供給ラインには、燃料を昇圧させて送り出す高圧燃料ポンプが介設されている。

図においてエンジン１の右側に位置するシリンダヘッド４の一側には吸気系が配設され、各気筒２の吸気ポート９には吸気通路２０が連通している。この吸気通路２０は、エンジン１の各気筒２の燃焼室６に対して図外のエアクリーナにより濾過した空気を供給するためのものであり、サージタンク２１の上流の共通通路には電気式スロットル弁２２とが配設されている。サージタンク２１の下流で吸気通路２０は各気筒２毎に分岐して、それぞれ吸気ポート９に連通している。

一方、シリンダヘッド４の他側には排気系が配設され、各気筒２の排気ポート１０にはそれぞれ、各気筒２毎に分岐した排気通路２５（排気マニホルド）が接続されている。この排気マニホルドの集合部には排気中の酸素濃度を検出するセンサ２６が配設されている。また、排気マニホルドよりも下流側の排気通路２５には、排気中の有害成分を浄化するための触媒２７が配設されている。

この触媒２７は、例えば、ガソリンエンジンの排気中の有害成分として代表的な未燃炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯx）を浄化する三元触媒が好ましい。触媒２７は、所定の活性化温度（例えば２５０°Ｃ）以上では十分な浄化性能を発揮する一方、活性化温度未満では十分な浄化性能を発揮できないので、この実施形態では触媒２７のケースに温度センサ２８（触媒温度センサ）を配設している。

上述の如く構成されたエンジン１の運転制御を行うために、パワートレインコントロールモジュール３０（以下、ＰＣＭという）が設けられている。これは、周知の如くＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェース回路等を備えており、図２にも示すように、クランク角センサ８、酸素濃度センサ２６等からの信号を入力するとともに、吸気通路２０における空気の流量を計測するエアフローセンサ３１からの信号と、図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ３２からの信号と、車両の走行速度を検出する車速センサ３３からの信号と、を少なくとも入力する。

そして、ＰＣＭ３０は、前記各種センサからの信号等に基づいて、エンジン１の運転状態（例えば負荷状態及びエンジン回転速度）を判定し、これに応じてＶＶＬ１４、ＶＶＴ１５、点火回路１７、直噴インジェクタ１８、ポートインジェクタ１９、電気式スロットル弁２２等を制御する。すなわち、ＰＣＭ３０は、主にＶＶＬ１４の作動によって吸排気弁１１，１２のリフト量を調整し、気筒２への吸気（空気）の充填量を制御するとともに、主にＶＶＴ１５の作動によって吸排気弁１１，１２のオーバーラップ期間を調整し、内部ＥＧＲガス量を制御する。

それらＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の制御によって吸排気弁１１，１２のリフトカーブＬin，Ｌexは、図３に模式的に示すようにそれぞれ最小リフトから最大リフトまでの間で連続的に変化する。吸排気弁１１，１２のリフト量は、エンジン１の負荷（目標トルク）や回転速度が高いほど大きくなり、これに伴いオーバーラップ期間（正のオーバーラップ期間）が生じるようになる。一方、相対的に低負荷、低回転側では吸排気弁１１，１２の双方が閉じる負のオーバーラップ期間が生じ、内部ＥＧＲガス量がかなり多くなる。

そうして主にＶＶＬ１４の制御によって気筒２への吸気の充填量を広い範囲で変更することができるので、この実施形態のエンジン１ではスロットル弁２２の制御によらず出力を制御することができる。よって、吸気通路２０に設けられたスロットル弁２２は、主にフェールセーフのためのものであり、通常はエンジン１の部分負荷域においても全開とされて、ポンピングロスの低減が図られている。

また、ＰＣＭ３０は、２つのインジェクタ１８，１９のそれぞれを、後述の如き所定のタイミングで作動させることにより、気筒２内の空燃比や混合気の形成状態を切換えるとともに、前記のように主にＶＶＴ１５の作動によって気筒２内の内部ＥＧＲガス量を制御し、さらに点火プラグ１６の作動状態を切換えることで、エンジン１の燃焼状態を以下に述べるＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とに切換えるようになっている。

（エンジン制御の概要）
具体的には図４に制御マップの一例を示すように、相対的に低負荷且つ低回転側の運転領域（Ｉ）においては、気筒２内に形成した予混合気に直接は点火することなく、これをピストン５の上昇により圧縮して自己着火させるようにしている。このときには基本的に、気筒２の吸気行程においてポートインジェクタ１９により燃料を吸気ポート９内に噴射させ、吸気と混合させながら気筒２内へ供給して、概ね均一な予混合気を形成する。

また、気筒２の排気行程ないし吸気行程において排気弁１１が閉じてから吸気弁１２が開くまでの期間（吸排気弁１１，１２の双方が閉じる負のオーバーラップ期間）を設け、多量の内部ＥＧＲガスによって気筒２内の温度を高めることにより、予混合気の自己着火を促進する。負のオーバーラップ期間が相対的に長くなれば内部ＥＧＲガス量も増大し、自己着火のタイミングが進角する。

そのような予混合気の圧縮による自己着火については従来よりＨＣＣＩ（Homogenious Charge Compression Ignition）と呼ばれている。このＨＣＣＩによる燃焼は、図５に模式的に示すように、気筒２内の燃焼室６における多数の箇所で予混合気が略一斉に自己着火して燃焼を開始するものと考えられており、従来一般的な火炎伝播による燃焼（Spark Ignition：ＳＩ燃焼）に比べて燃焼期間が短くなって、熱効率が高くなる。

また、そうして予混合気が自己着火するＨＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼の実現が困難な超希薄な予混合気や多量の内部ＥＧＲガスによって希釈した予混合気であっても実現可能であり、前記のように燃焼期間は短くても燃焼温度は低いことから、ＮＯｘの生成は非常に少なくなる。一方で、あまり希薄でない予混合気や希釈度合いの低い予混合気では自己着火のタイミングが早くなり過ぎて、ＨＣＣＩ燃焼を実現できない。

つまり、ＨＣＣＩ燃焼はかなりリーンな予混合気か、或いは多量のＥＧＲによって希釈した予混合気において実現されるものであり、本来、あまり高い出力は得られないものなので、この実施形態においても、前記の制御マップ（図４）に示すように相対的に高負荷ないし高回転側の運転領域(II)においては、ＳＩ燃焼を行うようにしている。すなわち、ポートインジェクタ１９により気筒２の圧縮行程ないし吸気行程で燃料を噴射させて気筒２内に概ね均一な予混合気を形成し、これに点火して燃焼させることになる。

ところで、前記したＨＣＣＩ燃焼による熱効率が最も高くなるのは、図６(a)に模式的に示すように、予混合気が気筒２のＴＤＣ直後に自己着火して、それによる熱発生のピークがＴＤＣよりも少し遅角側（例えばクランク角で２〜８°くらい）になるときである。このときにはＨＣＣＩ燃焼による気筒２内の温度上昇とピストン５の下降に伴う気筒２内容積の増大とが相殺し合うことから、比較的燃料噴射量の多いときであっても燃焼が過度に激しくはならない、というメリットもある。

しかしながら、常にそうした適切なタイミングで予混合気を一斉に自己着火させることは非常に難しく、例えばエンジン１の負荷や回転速度が相対的に低くなって、その分、気筒２の圧縮温度や圧縮圧力が低くなると、該気筒２内の予混合気の自己着火のタイミングのばらつきが大きくなって、同図(b)に示すように熱発生のピークが低くなるとともに、それが遅角側に移動することになり、熱効率が低下してしまう。

そこで、この実施形態では、ＨＣＣＩ領域（Ｉ）においても低負荷ないし中負荷で且つ相対的に低回転側の領域（図４に右上がりの斜めハッチングを入れて示す領域）では、成層化混合気の燃焼によって予混合気の自己着火を誘発するようにしている。すなわち、図７に一例を示すように、吸気行程でポートインジェクタ１９により燃料を噴射させ（第２噴射）、気筒２内に略均一な予混合気を形成した後、圧縮行程終盤に直噴インジェクタ１８により少量の燃料を噴射させて（第３噴射）、点火プラグ１６の電極周りに混合気塊（成層化混合気）を形成し、これにＴＤＣ直後の所定のタイミングで点火して燃焼させる。

こうして点火プラグ１６周りの成層化混合気が燃焼すると、気筒２内の温度及び圧力がさらに上昇し、予混合気全体の自己着火を誘発することになるから、ＨＣＣＩ燃焼の安定性を十分に確保することができる。また、予混合気の自己着火するタイミングを前記図６(a)のように最適化することもでき、これによりＨＣＣＩ燃焼による燃費やエミッションの改善効果を十分に得ることができる。

尚、図４には示さないが、ＨＣＣＩ領域（Ｉ）においても特に低負荷低回転の一部の領域では吸排気弁１１，１２の負のオーバーラップ期間中にも直噴インジェクタ１８による燃料噴射（図７に破線で示す第１噴射）を行うようにしている。これは従来例（特許文献１）のエンジンと同様であるが、高温の内部ＥＧＲガスに曝された燃料噴霧においてはラジカルが生成されたり、部分酸化反応が進んだりして、自己着火し易い活性化混合気が形成されると考えられている。

さらに、この実施形態では本発明の特徴部分として、触媒２７が未活性のときにはその活性化を促進するための制御を行うようにしている。すなわち、触媒２７の温度が低くて未活性のときに、エンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｉ）における中負荷ないし高負荷で且つ相対的に低回転側の特定領域（図４に左上がりの斜めハッチングを入れて示す領域）にあれば、前記のように第３噴射を行って成層化混合気を形成する一方で、それへの点火は行わない。

こうすると、ＴＤＣ後に気筒２内の予混合気が自己着火して燃焼するときに成層化混合気も燃焼することになるが、濃度（Ａ／Ｆ）の濃い（リッチな）部位では不完全な燃焼状態になってＣＯ、ＨＣの生成量が増大し、これらが触媒２７において酸化されることによって、該触媒２７の温度を速やかに上昇させることになる。

尚、前記特定領域よりも負荷の低いときには気筒２の温度が低いため、たとえ触媒２７の温度が低くて未活性であっても、前記のように活性化を促進するための制御は行わない。このように気筒２の温度が低いときには成層化混合気に点火しないと、予混合気が自己着火しない可能性があり、ＨＣＣＩ燃焼の安定性を十分に確保し難いからである。

（具体的な制御手順）
次に、エンジン制御の具体的な手順を図８〜１１に基づいて説明すると、まず、図８のフローのスタート後のステップＳＡ１では、クランク角センサ８、触媒温度センサ２８、エアフローセンサ３１、アクセル開度センサ３２、車速センサ３３等からの信号を入力し、ステップＳＡ２ではエンジン１への要求トルク（負荷）とエンジン回転速度とを求める。エンジン回転速度はクランク角センサ８からの信号によりダイレクトに演算すればよく、要求トルクは例えば車速及びアクセル開度に基づいて、或いはエアフローセンサ３１からの信号とエンジン回転速度とに基づき内部ＥＧＲ量を加味して、演算すればよい。

そうして求めた要求トルクとエンジン回転速度とに基づいて、ステップＳＡ３では、図４の制御マップを参照してエンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｉ）にあるかどうか判定する。この判定がＮＯであればＳＩ領域(II)にあるので、詳しい説明は省略するが、通常のＳＩ燃焼のための制御を実行する。つまり、ポートインジェクタ１により気筒２の圧縮行程から吸気行程にかけて吸気ポート９へ燃料を噴射し、気筒２内に略理論空燃比の均一混合気を形成して点火プラグ１６により点火する。

一方、ステップＳＡ３の判定がＹＥＳでＨＣＣＩ領域（Ｉ）にあれば、ステップＳＡ４に進んで、触媒温度が所定温度以下か、例えば活性化温度以下かどうか判定する。この判定がＮＯであれば後述のステップＳＡ６に進む一方、判定がＹＥＳであればステップＳＡ５に進み、今度はＨＣＣＩ領域（Ｉ）における中負荷ないし高負荷で且つ相対的に低回転側の特定領域（図４参照）にあるかどうか判定する。

その判定がＹＥＳで特定領域にあれば、図１１のフローへ進んで後述の如く触媒２７の昇温を促進するための制御を行う一方、判定がＮＯであれば、以下のように通常のＨＣＣＩ燃焼のための制御を行う。すなわち、ステップＳＡ６においてＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の制御によって負のオーバーラップ期間が生じるように吸排気弁１１，１２の作動タイミングを制御する。例えば目標トルク及びエンジン回転速度に基づき、予め実験的に設定してあるマップを参照して、所要の内部ＥＧＲ量となるような吸排気弁１１，１２のオーバーラップ量を決定し、そうなるように主にＶＶＴ１５を制御する。

その際、目標トルク及びエンジン回転速度に基づき、予め実験的に設定してあるマップを参照して、所要の吸気充填量となるような吸排気弁１１，１２のリフト量も決定し、そうなるように主にＶＶＬ１４を制御する。この吸気充填量は、気筒２への燃料供給量に対応して適切な空燃比となるように予め実験等により求めて、前記マップに設定したものである。

続いてステップＳＡ７では、インジェクタ１８，１９の各々による都合３回のそれぞれの燃料噴射量、即ち活性化混合気を形成するための直噴インジェクタ１８による第１噴射量と、予混合気を形成するためのポートインジェクタ１９による第２噴射量と、成層化混合気を形成するための直噴インジェクタ１８による第３噴射量と、をそれぞれ予め実験的に設定してある噴射量マップから読み込んで、決定する。

この噴射量マップも、目標トルク及びエンジン回転速度に対応して第１、第２及び第３の各噴射量の最適値を予め実験等により設定したものであり、例えば図４のマップ上に示す等回転速度線ａ−ａに沿って、要求トルク（エンジン負荷）の変化に対する第１、第２及び第３のそれぞれの噴射量の変化を見ると、図９に示すようになる。

図示の如く第１の噴射は相対的に低負荷側で行われる一方、第３の噴射は低負荷ないし中負荷域で行われる。第３噴射の量は一定であり、火花点火が可能な成層化混合気を形成するための必要最小量とされている。図の例では第１噴射の量も略一定とされているが、これには限らない。また、第２噴射はＨＣＣＩ領域（Ｉ）の全域で行われ、その量は要求トルクの増大に応じて一様に増大する。

続いて図１０のフローのステップＳＡ８において、前記ステップＳＡ７にて決定した噴射量（制御目標値）に基づいて第１噴射を行うか否か判定する。噴射量が０であれば（判定はＮＯ）後述のステップＳＡ１１に進む一方、噴射量が０でなければ（判定はＹＥＳ）ステップＳＡ９に進んで、第１噴射のタイミングになったかどうか判定する。この判定がＮＯの間は待機し、判定がＹＥＳになればステップＳＡ１０に進んで直噴インジェクタ１８を作動させる（第１噴射実行）。尚、第１噴射のタイミングは、直噴インジェクタ１８の開弁期間が吸排気弁１１，１２の負のオーバーラップ期間内に含まれるように設定されている。

続いてステップＳＡ１１では、ポートインジェクタ１９による燃料噴射（第２噴射）のタイミングになったかどうか判定し、ＮＯの間は待機して、ＹＥＳになればステップＳＡ１２に進んでポートインジェクタ１９を作動させる（第２噴射実行）。尚、第２噴射のタイミングは、一例として気筒２の吸気行程の中期から吸気弁１１が開かれるまでに設定すればよく、こうすれば、吸気弁１１の傘部と吸気ポート９との隙間を通過する高速の吸気流によって燃料噴霧を気筒２内に勢い良く運送することができる。

続いてステップＳＡ１３では、前記ステップＳＡ８と同様にして第３噴射を行うか否か判定し、噴射量が０であれば（判定はＮＯ）リターンする一方、噴射量が０でなければ（判定はＹＥＳ）ステップＳＡ１４に進んで、第３噴射のタイミング（気筒２の圧縮行程終盤）になったかどうか判定する。この判定がＮＯの間は待機し、判定がＹＥＳになればステップＳＡ１５に進んで直噴インジェクタ１８を作動させる（第３噴射実行）。

そして、ステップＳＡ１６，ＳＡ１７では、前記直噴インジェクタ１８による第３の噴射によって気筒２内に噴射された燃料が点火プラグ１６周りに形成した成層化混合気に点火する。すなわち、まずステップＳＡ１６ではＴＤＣ近傍（ＴＤＣ直後が望ましい）の点火タイミングになったかどうか判定し、ＮＯの間は待機して、ＹＥＳになればステップＳＡ１７に進んで点火回路１７を作動させ、しかる後にリターンする。

つまり、エンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｉ）にあって、触媒２７が既に活性化しているか、或いは未活性であってもエンジン１が特定領域外にあれば、通常のＨＣＣＩ燃焼のための制御を行う。その際、必要に応じて活性化混合気を形成するための第１噴射を行ったり、成層化混合気を形成するための第３噴射を行ったりして、ＨＣＣＩ燃焼の安定性を十分に確保するようにしている。

一方で、前記図８のフローのステップＳＡ５においてＹＥＳと判定したとき、即ち、触媒２７が未活性であって且つ、エンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｉ）における中負荷ないし高負荷で且つ相対的に低回転側の特定領域にあるときには、図１１のフローのステップＳＢ１に進んで、前記ステップＳＡ６と同様にＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の制御を行う。

続くステップＳＢ２では、前記ステップＳＡ７と同様に要求トルク等に基づいて、直噴インジェクタ１８による第１噴射量とポートインジェクタ１９による第２噴射量とを決定し、続くステップＳＢ３では触媒２７の温度に基づいて直噴インジェクタ１８による第３噴射量を決定する。これは、図１２に一例を示すようなテーブルから触媒温度に対応する燃料噴射量を読み込むものであり、このテーブルにおいて燃料噴射量（第３噴射量）は、触媒温度が或る程度以上、高くなれば、その上昇に伴い徐々に減少するように設定されている。

そうして触媒２７の温度が高いほど第３噴射の量を減少させるのは、この第３噴射によって気筒２内に供給される燃料がエンジン１の出力に殆ど寄与しないからである。第３噴射された燃料は、前記したように点火プラグ１６周りに成層化混合気を形成し、ＴＤＣ後の予混合気の自己着火燃焼に伴い燃焼するものの、エンジン出力には殆ど寄与しない。そこで、このような無駄な燃料の量を触媒２７の昇温促進のための必要最小量とすることで、燃費の悪化を抑制するようにしている。

前記ステップＳＢ３に続くステップＳＢ４〜１０では、前記図１０のフローのステップＳＡ８〜１２，１５，１６と同じ手順で必要に応じて第１噴射を行い、その後、第２及び第３噴射を実行した上で、点火制御は行わずにリターンする。

つまり、触媒２７が未活性であり、しかもエンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｉ）においても相対的に中ないし高負荷側で予混合気が安定して自己着火する領域にあれば、第３噴射によって成層化混合気は形成するものの、これに点火はしないことによって触媒２７に多量のＣＯ、ＨＣを供給し、その温度上昇を促進するものである。

前記図８のフローのステップＳＡ４により、触媒温度センサ２８からの信号に基づいて触媒２７の温度が所定温度以下であることを検出する触媒温度検出手段３０ａが構成されている。

また、図１０のフローのステップＳＡ１４，ＳＡ１５と、図１１のフローのステップＳＢ９，ＳＢ１０とによって、エンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｉ）における特定の領域にあるときに、直噴インジェクタ１８により気筒２内に圧縮行程で燃料を噴射させ、点火プラグ１６周りに成層化混合気を形成する成層化混合気形成手段３０ｂが構成されている。

さらに、図１０のフローのステップＳＡ１６，ＳＡ１７によって、前記成層化混合気に点火プラグ１６により所定のタイミングで点火する点火制御手段３０ｃが構成される一方、図１１のフローではステップＳＢ１０にて第３噴射を行った後に点火はせずにリターンすることで、前記触媒温度検出手段３０ａによって触媒温度が所定温度以下であることを検出したときに、前記点火制御手段３０ｃによる点火制御を禁止する点火禁止手段３０ｄが構成されている。

前記図８のフローの制御は、ＰＣＭ３０のメモリに電子的に格納されている制御プログラムの実行によって実現するものであり、その意味でＰＣＭ３０は、前記触媒温度検出手段３０ａ、成層化混合気形成手段３０ｂ、点火制御手段３０ｃ及び点火禁止手段３０ｄをそれぞれソフトウエア・プログラムの形態で備えている。

したがって、この実施形態に係るエンジン制御装置Ａによると、吸排気弁１１，１２の所謂負のオーバーラップ期間を設けて、気筒２内の温度を高めることにより、予混合気の圧縮自己着火を促進するようにしたガソリンエンジン１において、まず、予混合気の形成のための燃料供給とは別に、前記負のオーバーラップ期間において気筒２内のＥＧＲガス中に燃料を噴射し、着火性の高い活性化混合気を形成したり、該気筒２内に圧縮行程でも少量の燃料を噴射し、点火プラグ１６周りに成層化させた混合気塊に点火して燃焼させたりすることで、予混合気全体の自己着火を安定的に発生させることができる。

これにより予混合気の自己着火のタイミングを最適化して、ＨＣＣＩ燃焼による燃費やエミッションの改善効果を十分に得ることができるとともに、ＨＣＣＩ領域（Ｉ）を従来よりも低負荷、低回転側に拡大することも可能になる。

しかも、前記のように成層化混合気を形成するための燃料の噴射量は、エンジン１の目標トルクの大きさ（負荷状態）によらず、火花点火が可能な成層化混合気を形成するための必要最小量とすることで、その成層化混合気の燃焼に伴うＮＯｘの生成は極力、抑えることができる。

さらに、前記成層化混合気の点火燃焼は、排気の流量が多くて相対的に気筒２の温度が高くなりやすいＨＣＣＩ領域（Ｉ）の高回転側では行わないようにしており、このことによっても排気中のＮＯｘの増大を抑えることができる。

その上で、触媒２７が未活性であれば、前記のように成層化混合気を形成しつつ、それへの点火は行わずに一部を不完全な燃焼状態とすることで、排気中のＣＯ、ＨＣを増大させて触媒２７の温度上昇を効果的に促進することができる。しかも、そうして不完全な燃焼状態となる燃料の量を触媒２７の昇温促進のために必要な最小量とすることで、燃費の悪化も抑制できる。

（他の実施形態）
本発明の構成は、前記した実施形態のものに限定されることなく、それ以外の種々の構成を包含する。すなわち、前記の実施形態では図４の制御マップに示すように、ＨＣＣＩ領域（Ｉ）における低負荷ないし中負荷で且つ相対的に低回転側の領域で第３噴射を行い、成層化混合気を形成するとともに、これに点火して燃焼させるようにしているが、この制御は、もう少し高負荷側まで或いは全負荷まで、また、さらに高回転側まで行うようにしてもよい。

また、前記の実施形態では、触媒２７が未活性のときエンジン１がＨＣＣＩ領域（Ｉ）における中負荷ないし高負荷で相対的に低回転側の特定領域にあれば、成層化混合気を形成し且つ点火しないことで、排気中のＣＯ、ＨＣを増大させるようにしているが、この制御も燃料性状によっては、より低負荷側まで実行可能である。

また、前記の実施形態では、ＨＣＣＩ領域（Ｉ）の一部において直噴インジェクタ１８により活性化混合気を形成するための第１噴射を行うようにしているが、燃料性状によっては第１噴射は不要になる場合もあるし、反対にＨＣＣＩ領域（Ｉ）の全域に亘って第１噴射が必要になることも考えられる。

さらに、前記の実施形態では、予混合気を形成するための第２噴射を吸気行程で行うようにしているが、これはポートインジェクタ１９によるものであるから、排気行程或いはそれ以前の膨張行程や圧縮行程で行うようにしてもよい。

或いはポートインジェクタ１９を設けずに、直噴インジェクタ１８のみにより第１、第２及び第３の噴射を行うようにすることもできる。但し、ＮＯｘの生成を抑制するという観点から第３噴射量は少量の方が好ましい一方で、エンジン１の最高出力を考慮して第２噴射量はかなり多くしなくてはならない場合があるから、両者を単一のインジェクタにより行うのは無理があり、前記実施形態のように流量特性の異なる２つのインジェクタ１８，１９を用いる方が好ましい。

さらにまた、前記の実施形態では、吸排気弁１１，１２のリフト特性をＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の作動によって連続的に変更するようにしているが、これに限らず、リフト量及び位相角のいずれか一方は段階的に切換わるような構造としてもよい。また、吸排気弁１１，１２を個別に電磁アクチュエータによって開閉するような動弁機構を用いてもよいことは言うまでもない。

以上、説明したように本発明は、低負荷低回転側でＨＣＣＩ燃焼を行うようにしたガソリンエンジンにおいて、予混合気の圧縮による自己着火の安定性を高めることができるとともに、触媒の昇温を効果的に促進できるので、比較的停止する頻度が高く、触媒温度が低下しやすい自動車用のエンジンに好適である。

本発明の実施形態に係るエンジン制御装置の全体構成を示す図である。 制御の概略を示すブロック図である。 吸排気弁のリフト特性の変化を示す説明図である。 燃焼状態を切換える制御マップの一例を示す説明図である。 ＨＣＣＩ燃焼のイメージ図である。 ＨＣＣＩ燃焼における熱発生の状態を示す説明図である。 ２つのインジェクタによる燃料噴射の態様を示す説明図である。 燃焼状態を切換える制御の手順を示すフローチャート図である。 要求トルクの変化に対する第１、第２及び第３のそれぞれの噴射量の変化を等回転速度線に沿って示した説明図である。 通常のＨＣＣＩ制御の手順を示すフローチャート図である。 ＨＣＣＩ制御時に触媒の昇温を促進する場合の図１０相当図である。 触媒の昇温に応じて第３噴射量を減少させるテーブルの説明図である。

符号の説明

Ａ エンジン制御装置
（Ｉ） 所定運転領域
１ ガソリンエンジン
２ 気筒
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１６ 点火プラグ
１８ 直噴インジェクタ（燃料噴射弁）
２７ 触媒
２８ 触媒温度センサ（触媒温度検出手段）
３０ ＰＣＭ
３０ａ 触媒温度検出手段
３０ｂ 成層化混合気形成手段
３０ｃ 点火制御手段
３０ｄ 点火禁止手段

Claims (4)

1. エンジンが所定の運転領域にあるときに、気筒内に少なくとも吸気行程で燃料を供給して略均一な予混合気を形成するとともに、該気筒の排気行程ないし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、残留する既燃ガスによって気筒内の温度を高めることにより、圧縮行程の終盤以降における予混合気の自己着火を促進するようにしたガソリンエンジンの制御装置であって、
   エンジンの排気系には排気浄化用の触媒が設けられ、
   気筒内に燃料を直接、噴射するように燃料噴射弁が設けられ、
   エンジンが前記所定運転領域にあるときに、前記燃料噴射弁により気筒内に圧縮行程で燃料を噴射させて、点火プラグ周りに偏在する成層化混合気を形成する成層化混合気形成手段と、
   前記点火プラグにより所定のタイミングで成層化混合気に点火する点火制御手段と、
   を備えるとともに、
   前記触媒の温度が所定温度以下であることを検出する触媒温度検出手段と、
   前記触媒温度検出手段により触媒温度が所定温度以下であることを検出したときには、前記点火制御手段による点火制御を禁止する点火禁止手段と、
   を備えることを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
2. 請求項１の制御装置において、
   点火禁止手段は、エンジンが所定運転領域の中で相対的に高負荷側にあるときに、点火制御手段による点火制御を禁止するものであることを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
3. 請求項２の制御装置において、
   成層化混合気形成手段は、エンジンが所定運転領域の中で相対的に低回転側にあるときに、成層化混合気を形成するための燃料噴射を行うものであり、
   点火制御手段も、エンジンが前記低回転側にあるときに、前記成層化混合気に点火するものであることを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つの制御装置において、
   成層化混合気形成手段は、触媒温度が所定温度以下で点火制御手段による点火制御が禁止されているときには、その触媒温度の上昇に伴い燃料噴射量を減少させるものであることを特徴とするガソリンエンジンの制御装置。

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