JP2010236496A - 内燃機関を制御する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮自己着火エンジンにおいて、ＮＶＯ期間中に所望の量の燃料を所望のタイミングで確実に噴射することを可能にする手段を提供する。
【解決手段】エンジンは、ＰＣＭ３０により、低回転・低負荷領域では、燃料を圧縮自己着火させるＨＣＣＩモードで動作させられ、高回転領域又は高負荷領域では、燃料を火花点火で着火させるＳＩモードで動作させられる。このエンジンでは、ＨＣＣＩモードでは、排気圧縮上死点付近に、吸気弁１１と排気弁１２とがともに閉じられるＮＶＯ期間が設けられ、ＮＶＯ期間中に圧縮自己着火を促進するためのＮＶＯ噴射が行われる。ＮＶＯ噴射においては、エンジン負荷が低いときほど燃料噴射弁１８の燃料圧を高めることにより燃料噴射量が増やされる。これにより、低負荷時には、圧縮自己着火が十分に促進され、かつスモークの発生が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室内において燃料と空気とを予混合することにより生成された混合気を、ピストンで圧縮して昇温させることにより自己着火させることが可能な内燃機関を制御する方法と装置とに関するものである。

所定の運転状態、例えば低負荷・低回転状態では、燃焼室内で予め燃料と空気とをほぼ均一に混合させ、この混合気をピストンで圧縮することにより燃料の着火温度以上に昇温させて自己着火（以下「圧縮自己着火」という。）させるようにした予混合圧縮自己着火式の内燃機関（以下「圧縮自己着火エンジン」という。）は従来知られている（例えば、特許文献１、２参照）。かかる圧縮自己着火エンジンでは、一般に、排気行程と吸気行程の間の上死点付近に、排気弁と吸気弁とがともに閉弁される期間（以下「ＮＶＯ（Negative valve overlap）期間」という。）を設け、燃焼室内に高温の内部ＥＧＲを残留させることにより、圧縮自己着火時に混合気の温度を高めるようにしている。

かかる圧縮自己着火エンジンでは、混合気を圧縮自己着火させるときには、点火プラグで混合気に点火する場合に比べて、混合気の燃焼温度を低くすることができるので、燃焼室内でのＮＯｘ（窒素酸化物）の発生量を大幅に低減することができる。このため、ＮＯｘ等を処理するための排気ガス浄化装置を簡素化ないしは小型化することができるといった利点がある。

米国特許第７１５６０７０号明細書 特開２００３−０９７３１７号公報

ところで、圧縮自己着火エンジンにおいて混合気を圧縮自己着火させる場合、ＮＶＯ期間中に燃焼室内の高温の内部ＥＧＲ中に燃料の噴射（以下「ＮＶＯ噴射」という。）を行えば、該燃料が改質されることと、燃焼して燃焼熱を生成し、この後の圧縮時に混合気の温度を十分に高めることとで、混合気を確実に自己着火させることができる。しかしながら、ＮＶＯ期間は非常に短いので、例えば燃料噴射量が比較的多い場合には、ＮＶＯ期間中に燃料を適切なタイミングで確実に噴射することはかなり困難である。なお、特許文献１に開示された圧縮着火式エンジンでは、ＮＶＯ期間中に燃料を噴射するとともに、燃焼状態が不安定なときには燃料噴射量を多くするようにしている。また、特許文献２に開示された圧縮自己着火エンジンでは、意図する圧縮自己着火が起こるように燃料圧を調整するようにしている。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、圧縮自己着火エンジンにおいて、ＮＶＯ期間中に所望の量の燃料を所望のタイミングで確実に噴射することを可能にし、ひいては圧縮自己着火を確実に行うことを可能にする手段を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る、燃焼室内の燃料を圧縮自己着火させることによりトルクを生成することが可能な内燃機関（エンジン）の制御方法は、要求トルク（又はエンジン負荷）が所定の第１トルク（又は第１エンジン負荷）以上のときに実施される高負荷自己着火工程と、要求トルクが第１トルク未満のときに実施される低負荷自己着火工程とを有している。そして、高負荷自己着火工程では、各気筒サイクル（４行程）において、排気上死点前に排気弁を閉弁させるとともにパイロット燃料（ＮＶＯ燃料）を第１燃料圧でもって噴射する（ＮＶＯ噴射）。そして、排気上死点後においてパイロット燃料の噴射後に吸気弁を開弁させ、該吸気弁の開弁後にメイン燃料を自己着火するように噴射する（メイン噴射）。

他方、低負荷自己着火工程では、気筒サイクルにおいて、排気上死点前に排気弁を閉弁させるとともにパイロット燃料を第１燃料圧より高い第２燃料圧でもって噴射する（ＮＶＯ噴射）。そして、排気上死点後においてパイロット燃料の噴射後に吸気弁を開弁させ、該吸気弁の開弁後にメイン燃料を自己着火するように噴射する（メイン噴射）。

本発明に係る内燃機関の制御方法においては、低負荷自己着火工程でのパイロット燃料の噴射量を、高負荷自己着火工程でのパイロット燃料の噴射量より多くするのが好ましい。また、同一の気筒サイクルにおけるパイロット燃料の噴射圧力（燃料圧）とメイン燃料の噴射圧力（燃料圧）とをほぼ等しくし又は等しくするのが好ましい。

本発明に係る内燃機関の制御方法は、要求トルクが、第１トルク（又は第１エンジン負荷）より大きい所定の第２トルク（又は第２エンジン負荷）以上のときに、第１燃料圧より高い第３燃料圧で燃料を噴射するとともに、該燃料を火花点火させる火花点火工程をさらに有しているのが好ましい。この場合、第３燃料圧を第２燃料圧より高くするのがより好ましい。

本発明に係る、燃焼室内の燃料を圧縮自己着火させることによりトルクを生成することが可能な内燃機関の制御装置は、高負荷自己着火制御手段と低負荷自己着火制御手段とを備えている。ここで、高負荷自己着火制御手段は、要求トルク（又はエンジン負荷）が所定の第１トルク（又は第１エンジン負荷）以上のときに、気筒サイクルにおいて、排気上死点前に排気弁を閉弁させるとともにパイロット燃料を第１燃料圧でもって噴射させる（ＮＶＯ噴射）。そして、排気上死点後においてパイロット燃料の噴射後に吸気弁を開弁させ、該吸気弁の開弁後にメイン燃料を自己着火するように噴射させる（メイン噴射）。

他方、低負荷自己着火制御手段は、要求トルクが第１トルク未満のときに、気筒サイクルにおいて、排気上死点前に排気弁を閉弁させるとともにパイロット燃料を第１燃料圧より高い第２燃料圧でもって噴射させる（ＮＶＯ噴射）。そして、排気上死点後においてパイロット燃料の噴射後に吸気弁を開弁させ、該吸気弁の開弁後にメイン燃料を自己着火するように噴射させる（メイン噴射）。

本発明に係る内燃機関の制御方法又は制御装置によれば、要求トルク（又はエンジン負荷）が低いときには、パイロット燃料の噴射圧力を高くするので、要求トルクが低いときには、多くのパイロット燃料を限られた噴射可能期間の中で噴射することができる。これにより、より多くの熱を発生させて圧縮上死点での自己着火温度を確保することができる。このため、圧縮自己着火が可能な運転領域を低負荷側に拡大することができる。

また、この種の内燃機関では、低負荷領域ではＮＶＯ噴射の増量に起因してスモークが発生するといった問題がある。しかしながら、本発明に係る内燃機関の制御方法又は制御装置によれば、低負荷領域ではパイロット燃料の噴射圧力（燃料圧）が高くなるので、燃料の微粒化が促進される。このため、燃料の燃焼性が良好となり、ＮＶＯ噴射の増量に起因するスモーク発生を防止又は抑制することができる。他方、ＮＶＯ噴射の増量に起因するスモークの問題が生じない高負荷領域では、パイロット燃料の噴射圧力（燃料圧）が低くなるので、燃料噴射弁の開弁時間を最小にしつつ可及的に少ない噴射量でパイロット噴射を行うことができる。すなわち、トルク発生への寄与率の小さいパイロット噴射を高負荷領域では少なくして、内燃機関の運転効率を全体として向上させることができる。

本発明に係る内燃機関の制御方法又は制御装置において、低負荷自己着火工程でのパイロット燃料の噴射量を、高負荷自己着火工程でのパイロット燃料の噴射量より多くする場合は、トルク発生への寄与率が低いパイロット噴射を高負荷領域で少なくすることができ、機関運転効率を全体として向上させることができる。

一般に、この種の内燃機関では、パイロット噴射（ＮＶＯ噴射）に比べて燃料噴射量が多いメイン噴射では、燃焼室内壁への燃料の付着量が増加するといった問題があり、この問題は燃料噴射量が多い高負荷時にはとくに顕著となる。しかし、本発明に係る内燃機関の制御方法又は制御装置において、同一の気筒サイクルにおけるパイロット燃料の燃噴射圧力（燃料圧）とメイン燃料の噴射圧力（燃料圧）とをほぼ等しくする場合は、メイン燃料の噴射圧力が従来に比べて高くなり、燃料の微粒化が促進される。このため、燃料噴射圧制御を複雑化することなく、高負荷時においてもメイン燃料の付着を防止ないしは抑制することができる。

本発明に係る内燃機関の制御方法又は制御装置において、要求トルクが、第１トルクより大きい所定の第２トルク以上のときに、第１燃料圧ないしは第２燃料圧より高い第３燃料圧で燃料を噴射するとともに、該燃料を火花点火させる場合は、要求燃料量が多い高負荷領域で、所望の時期に所望の燃料を噴射することができ、内燃機関の出力を高めることができる。

本発明に係る制御装置を備えたエンジンの全体構成を示す模式図である。 本発明に係るエンジン制御を行うための制御マップの一例を示す図である。 本発明に係るエンジン制御を行う場合の、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングのエンジン負荷に対する変化特性の一例を示す図である。 本発明に係るエンジン制御を行う場合の、過給圧、吸入空気量、ＥＧＲ量及び空燃比のエンジン負荷に対する変化特性の一例を示す図である。 （ａ）はエンジンを火花点火モード（ＳＩモード）で運転する場合の吸気弁及び排気弁のバルブリフト量のクランク角に対する変化特性を示す図であり、（ｂ）はエンジンを均一充填圧縮着火モード（ＨＣＣＩモード）で運転する場合の吸気弁及び排気弁のバルブリフト量のクランク角に対する変化特性を示す図である。 ＰＣＭにより行われる本発明に係るエンジン制御（燃料噴射制御）の制御手法を示すフローチャートである。 （ａ）は均一充填圧縮着火領域（ＨＣＣＩ領域）領域及び火花点火領域（ＳＩ領域）を、負荷及び要求ＮＶＯ噴射量をパラメータとして表した図であり、（ｂ）は均一充填圧縮着火領域（ＨＣＣＩ領域）及び火花点火領域（ＳＩ領域）を、負荷及び要求燃料圧をパラメータとして表した図であり、（ｃ）は負荷に対する燃料圧の変化特性を示す図である。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態を具体的に説明する。
図１に示すように、ガソリン等を燃料とする多気筒エンジン（内燃機関）には、紙面に直交する方向に直列配置された複数の気筒２（例えば、４気筒、６気筒・・・）を有するシリンダブロック３と、該シリンダブロック３の上側に配置されたシリンダヘッド４とを備えたエンジン本体部１が設けられている。エンジン本体部１の各気筒２にはピストン５が嵌挿され、ピストン５の上面とシリンダヘッド４の下面との間に所定容積の燃焼室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を介して、クランク軸７と連結されている。クランク軸７は、ピストン５の往復運動に伴ってその中心軸回りに回転する。

シリンダヘッド４内には、それぞれ燃焼室６の天井部に開口する吸気ポート９と排気ポート１０とが、気筒２毎に形成されている。吸気ポート９は、燃焼室６の天井部から斜め上方に延びてシリンダヘッド４の吸気側（図１では右側）の側壁に開口し、排気ポート１０は排気側（図１では左側）の側壁に開口している。吸気ポート９及び排気ポート１０の側壁の各開口部には、それぞれ、吸気通路２０及び排気通路２５が接続されている。

シリンダヘッド４には、気筒２毎に、吸気弁１１と排気弁１２とが設けられている。そして、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。吸気弁１１及び排気弁１２は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された一対のカムシャフト（図示せず）等を含む動弁機構１３により、クランク軸７の回転に同期して開閉駆動される。

吸気弁１１及び排気弁１２の各動弁機構１３には、それぞれ、可変バルブリフト機構（以下「ＶＶＬ（Variable Valve Lift）」という。）１４と、可変バルブタイミング機構（以下「ＶＶＴ（Variable Valve Timing）」という。）１５とが組み込まれている。ＶＶＬ１４は、カムシャフト（図示せず）に取り付けられたカムの揺動軌跡をＰＣＭ３０からの指令に基づいて変更することにより、吸気弁１１及び排気弁１２のリフト量（開弁量）をエンジンの運転状態に応じて変更する。

ＶＶＴ１５は、クランク軸７に対するカムシャフト（図示せず）の回転位相をＰＣＭ３０からの指令に基づいて変更することにより、吸気弁１１及び排気弁１２の開閉タイミング（位相角度）をエンジンの運転状態に応じて変更する。そして、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の作動に応じて、吸気弁１１及び排気弁１２のリフト特性が変更され、その結果、各気筒２への吸入空気量や残留既燃ガス（内部ＥＧＲ）の量が調整される。なお、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５は、一般に用いられているものであって当業者には公知であるので、その詳しい説明は省略する。

シリンダヘッド４には、各気筒２の燃焼室６に臨むように点火プラグ１６が設けられている。点火プラグ１６は、その上方に設けられた点火回路１７からの給電に応じて、所定のタイミングで放電（火花点火）を行う。さらに、シリンダヘッド４には、吸気側（図１では右側）の側方から燃焼室６に臨むように燃料噴射弁１８が設けられている。燃料噴射弁１８へは、高圧燃料ポンプ１９から燃料通路を介して、燃料が供給される。なお、高圧燃料ポンプ１９は、例えばスピール弁によって駆動され、燃料噴射弁１８への燃料の供給圧すなわち燃料圧を低圧から高圧までの広い範囲で自在に変化させることができる。そして、燃料噴射弁１８は、所定の噴射タイミング（吸気行程等）で燃焼室６に対して燃料を直接噴射し、燃焼室６内に所定の空燃比の混合気を生成する。

エンジンの吸気側（図１では）には吸気通路２０が配設されている。空気の流れ方向（矢印方向）にみて、吸気通路２０の下流端は、シリンダヘッド４の吸気側の側壁に接続され、吸気ポート９と連通している。そして、エアクリーナ（図示せず）によりダスト等の異物が除去された空気が、順に吸気通路２０と吸気ポート９とを通って、各気筒２の燃焼室６に供給される。

吸気通路２０の途中部にはサージタンク２１が介設されている。吸気通路２０は、空気の流れ方向にみてサージタンク２１より上流側では、全気筒に共通な単一の通路（以下「共通吸気通路部」という。）となっている。この共通吸気通路部には、例えばバイワイヤー化した電子制御式のスロットル弁２２が配設されている。他方、サージタンク２１より下流側では、吸気通路２０は気筒２毎に分岐した通路（以下「分岐吸気通路部」という。）となっている。ここで、スロットル弁２２により流量が調整された空気は、分岐吸気通路部を通って、各気筒２の燃焼室６に導入される。

空気の流れ方向にみて、スロットル弁２２の上流側の吸気通路２０（共通吸気通路部）には、吸入空気を加圧するための過給機２３が設けられている。この過給機２３は、バッテリ（図示せず）等から供給される電力で作動する電動モータ２４により回転駆動され、モータ回転数を制御することにより過給圧を変更することができる。

エンジンの排気側（図１では左側）には排気通路２５が配設されている。排気ガスの流れ方向（矢印方向）にみて、排気通路２５の上流端は、シリンダヘッド４の排気側の側壁に接続され、排気ポート１０と連通している。そして、各気筒２の燃焼室６で混合気が燃焼すると、燃焼によって生成された既燃ガス（排気ガス）が排気通路２５を通って外部に排出される。排気通路２５の途中部には、排気ガス中の有害成分を浄化する、三元触媒を用いた触媒コンバータ２７が設けられている。このエンジンでは、ＮＯｘ生成量が少ないので、ＮＯｘの処理効率を高めるための特別な装置、例えばＮＯｘトラップ触媒等は設けられていない。

エンジンには、その動作を統括的に制御する制御装置として、ＣＰＵ、各種メモリ等で構成されるコンピュータを備えた制御装置（以下「ＰＣＭ（Power Train Control Module）」という。）３０が設けられている。ＰＣＭ３０は、本明細書の課題を解決するための手段の欄に記載された「高負荷自己着火制御手段」及び「低負荷自己着火制御手段」を含むエンジンの総合的な制御装置であって、エンジンの各部に設けられたセンサ類と電気的に接続されている。具体的には、ＰＣＭ３０は、クランク軸７の回転角（クランク角）を検出するクランク角センサ３１、吸気通路２０内を流れる空気の量を検出するエアフローセンサ３２、スロットル弁２２を開閉操作するアクセルペダル（図示せず）の操作量すなわちアクセル開度を検出するアクセル開度センサ３３、各気筒２の燃焼室６内の圧力を検出する筒内圧センサ３４、及び、該エンジンを搭載している車両の速度を検出する車速センサ３５と電気的に接続されている。

さらに、ＰＣＭ３０は、サージタンク２１内の空気の温度すなわち各気筒２の燃焼室６に供給される空気の温度を検出する吸気温センサ３６、及び、高圧燃料ポンプ１９から燃料噴射弁１８に供給される燃料の圧力すなわち燃料圧ないしは噴射圧力を検出する燃料圧センサ３７と電気的に接続されている。つまり、上記各種センサ３１〜３７によって検出された各制御情報が、それぞれ電気信号としてＰＣＭ３０に入力される。

ＰＣＭ３０は、上記各種センサ３１〜３７の検出値に基づいて、エンジンの運転状態に応じて、ＶＶＬ１４、ＶＶＴ１５、点火回路１７、燃料噴射弁１８、高圧燃料ポンプ１９等の各部の動作を統括的に制御し、エンジンの種々の制御を行う。しかしながら、一般的なエンジン制御、例えば空燃比制御、点火時期制御等の制御手法は当業者にはよく知られており、また一般的なエンジン制御は本願発明の要旨とするところでもないので、以下では、主として本願発明の要旨に関連する圧縮自己着火に関連する制御の制御手法を説明する。

ＰＣＭ３０は、吸気行程中に予め生成された混合気（予混合気）を圧縮行程の終期付近で圧縮自己着火させる均一充填圧縮自己着火（以下「ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）」という。）モードと、点火プラグ１６を用いて火花点火により混合気を強制的に着火させる火花点火（以下「ＳＩ（Spark Ignition）」という）モードとの間で燃焼形態を自在に切り替えることができる。

以下、ＰＣＭ３０の機能をより詳しく説明する。ＰＣＭ３０は、ハードウェアとしてみれば実質的に一体形成されたコンピュータである。なお、ＰＣＭ３０を構成する個々の部品ないしは装置は、必要に応じて取り付けたり取り外したりすることができるのはもちろんである。しかしながら、ＰＣＭ３０は、機能的にみれば、運転状態判定部、吸排気制御部、過給機制御部、燃料噴射制御部、記憶部等に分類することができる。

ＰＣＭ３０において、運転状態判定部は、各種センサ３１〜３７からの入力値に基づいて、エンジン負荷又は要求トルク、エンジン回転数等を算出するとともに、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて、エンジンの運転状態が制御マップ（図２参照）中のどの運転領域に該当するかを判定する。吸排気制御部は、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５を制御して吸気弁１１及び排気弁１２のリフト特性を運転状態に応じて変更することにより、エンジンの吸排気に関する動作を制御する。過給機制御部は、電動モータ２４の駆動を制御することにより、過給機２３の駆動／非駆動や、過給機２３を駆動する場合における過給圧をエンジンの運転状態に応じて制御する。

燃料噴射制御部は、各種センサ３１〜３７からの入力値に基づいて、エンジンの運転状態に応じて、燃料噴射弁１８の燃料噴射量、燃料圧（燃料噴射圧力）、噴射パルス幅及び燃料噴射時期、並びに、高圧燃料ポンプ１９の駆動状態及び吐出圧等を制御する（以下、この制御を「燃料噴射制御」という。）。記憶部は、エンジンの制御に必要な各種データやプログラム等を記憶する。なお、記憶部は、例えば図２に示すような、エンジンの運転状態に応じた各種制御を行うための制御マップを記憶している。

図２は、エンジン制御を行うための制御マップの一例を示している。図２に示すように、この制御マップには、ＨＣＣＩ領域Ａ（均一充填圧縮自己着火）とＳＩ領域Ｂ（火花点火領域）とからなる２つの運転領域が設定されている。そして、エンジンの運転状態が両領域Ａ、Ｂのうちのいずれに入っているかに応じて、エンジンの燃焼形態が選択される。具体的には、高回転領域又は高負荷領域に設定されたＳＩ領域ＢではＳＩモードが選択され、低回転・低負荷領域に設定されたＨＣＣＩ領域ＡではＨＣＣＩモードが選択される。

さらに、ＨＣＣＩ領域Ａは、過給機２３を作動させるか否かに応じてさらに２つの領域Ａ１と領域Ａ２とに分けられる。すなわち、両領域Ａ１、Ａ２のうち、低負荷側に設定されたＮＡＨＣＣＩ領域Ａ１では、過給機２３の駆動が停止されて自然吸気（ＮＡ）により吸気が行われる。他方、領域Ａ１よりも高負荷側に設定された過給ＨＣＣＩ領域Ａ２では、過給機２３が駆動されて吸気通路２０内の空気が加圧され、過給が行われる。そして、図２に示す制御マップに基づくエンジンの運転状態の判定が運転状態判定部によって行われ、この判定結果に基づいて、吸排気制御部、過給機制御部及び燃料噴射制御部が、ＶＶＬ１４、ＶＶＴ１５、過給機２３、燃料噴射弁１８及び高圧燃料ポンプ１９の動作を制御する。

図３は、吸排気制御部により吸気弁１１及び排気弁１２の開閉タイミングがどのように制御されるかを示すタイミングチャートである。具体的には、図３は、エンジンの運転状態が、図２に示す制御マップにおいて、ラインＬで示すように変化したときに、吸気弁１１及び排気弁１２の開閉タイミングがエンジン負荷に応じてどのように変化するかを示している。図３において、「ＩＶＣ」は吸気弁１１の閉弁時期であり、「ＩＶＯ」は吸気弁１１の開弁時期であり、「ＥＶＣ」は排気弁１２の閉弁時期であり、「ＥＶＯ」は排気弁１２の開弁時期である。また、図３では、エンジンの膨張行程、排気行程、吸気行程、圧縮行程が縦方向に順に記載されている。なお、「ＴＤＣ」及び「ＢＤＣ」は、それぞれ「上死点」及び「下死点」を表している。

図３に示すように、エンジンの運転状態がＨＣＣＩ領域Ａに入っているときには、排気弁１２の閉弁時期（ＥＶＣ）は排気上死点（排気行程と吸気行程の間の上死点）よりも進角し、かつ吸気弁１１の開弁時期（ＩＶＯ）が排気上死点よりも遅角するように、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５が制御される。これにより、排気行程から吸気行程にかけて、吸気弁１１及び排気弁１２が両方とも閉弁されるＮＶＯ期間が設けられる。そして、後で詳しく説明するように、このＮＶＯ期間中に、燃料噴射弁１８によりＮＶＯ噴射が行われ、少量の燃料が噴射される。

したがって、排気行程を過ぎた後でも、所定量の排気ガスが内部ＥＧＲガスとして気筒２内に残留する。また、気筒２内では、主として吸気行程中に、燃料噴射弁１８によりメイン噴射が行われる。この燃料は圧縮行程後期までの間に十分な時間をかけて混合され、ほぼ均一な混合気（予混合気）が生成される。このように生成された混合気は、ピストン５の圧縮により発生する熱と、内部ＥＧＲガスが有する熱と、ＮＶＯ噴射により噴射された燃料の燃焼熱とによって、燃料ないしは混合気の着火温度ないしは燃焼温度以上に昇温され、自己着火により燃焼する。

さらに、ＨＣＣＩ領域Ａでは、吸気弁１１の閉弁時期（ＩＶＣ）は、圧縮下死点（吸気行程と圧縮行程の間の下死点）よりも比較的大きく遅角側にずらされ、予混合気の実質的な圧縮開始が相対的に遅めに設定される。このため、気筒２の有効圧縮比が小さくなり、圧縮による発生熱量が低減される。その結果、予混合気の温度が過度に上昇して異常燃焼が発生するのが防止される。

他方、エンジン負荷が大きくなりその運転状態がＳＩ領域Ｂに移行したときには、吸気弁１１の開弁時期（ＩＶＯ）及び排気弁１２の閉弁時期（ＥＶＣ）が、それぞれ排気上死点に近づけられる。これにより、ＳＩ領域Ｂでは、ＮＶＯ期間は設けられず、内部ＥＧＲによる排気ガスの還流は行われなくなる。なお、図３に示す例では、排気上死点の前後で吸気弁１１及び排気弁１２がともに開弁される若干の開弁オーバーラップ期間が設けられている。そして、内部ＥＧＲが行われないＳＩ領域Ｂでは、混合気が自己着火しないので、混合気の燃焼は、点火プラグ１６を用いた火花点火により行われる。すなわち、ＳＩ領域Ｂでは、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程の間の上死点）付近で、点火プラグ１６により火花を発生させる。かくして、火花発生部（点火源）からの火炎伝播により、混合気は強制的に燃焼させられる。

また、ＳＩ領域Ｂでは、吸気弁１１の閉弁時期（ＩＶＣ）が圧縮下死点に近いタイミングに戻され、有効圧縮比がピストン５の全ストロークに応じた圧縮比（幾何学的圧縮比）に近づけられる。このため、混合気が十分な圧縮比で圧縮されてから点火され、この点火に伴って比較的大きな燃焼エネルギーが発生する。なお、排気弁１２の開弁時期（ＥＶＯ）は、ＨＣＣＩ領域Ａ及びＳＩ領域Ｂの全運転領域にわたって、ほぼ一定に維持される。具体的には、膨張下死点（膨張行程と排気行程の間の下死点）よりわずかに進角したタイミングでほぼ一定に維持される。

このように、高回転側又は高負荷側に設定されたＳＩ領域Ｂで混合気を火花点火により強制的に燃焼させるのは、ＨＣＣＩ領域Ａで行われる圧縮自己着火による燃焼では、十分に高い出力を得ることができないからである。圧縮自己着火領域の高負荷側限界は空燃比のリッチ化によるＮＯｘ生成量の増大と、最大圧力上昇率の増大（燃焼ノイズ増加）により制約されるため、ＨＣＣＩモードによる燃焼を行わず、火花点火により強制的に混合気を燃焼させるＳＩモードを選択するようにしている。なお、ＳＩモードでの混合気の生成は、吸気行程から圧縮行程までの期間に、エンジン負荷に応じて適宜のタイミングで燃料噴射弁１８から燃料を噴射することにより行われるが、ＳＩ領域Ｂのような高負荷域では、主として吸気行程中に燃料噴射が行われる。

図４は、過給圧（ブースト）、吸入空気量（空気）、ＥＧＲ量（ＥＧＲ）及び空燃比（Ａ／Ｆ）が、エンジン負荷に対してどのように変化するかを示している。図４に示すように、エンジン負荷が小さいＮＡＨＣＣＩ領域Ａ１では、過給機２３が作動しないので、過給圧（ブースト）はゼロに維持される。そして、エンジン負荷が増加して過給ＨＣＣＩ領域Ａ２に移行すると、過給機２３の作動が開始され、エンジン負荷に応じて過給圧が上昇する。このような過給機２３の作動により、気筒２内には、スロットル弁２２の開度に応じた量以上の空気が吸入される。このため、過給ＨＣＣＩ領域Ａ２での吸入空気量（空気）は、ＮＡＨＣＣＩ領域Ａ１に比べて高い増加率で増加する。エンジン負荷がさらに増加して過給ＨＣＣＩ領域Ａ２からＳＩ領域Ｂに移行すると、過給機２３は一旦停止する。しかし、全負荷に近い領域では、エンジン出力を確保するために過給機２３が作動し、過給圧が高められる。

また、気筒２に残留する内部ＥＧＲの量は、ＮＶＯ期間の増減に伴い（図３参照）、ＨＣＣＩ領域Ａにおいて略Ｖ字状に変化する。他方、ＳＩ領域Ｂでは、内部ＥＧＲが行われないので、その量はゼロになる。さらに、空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃料噴射弁１８からの燃料噴射量及び吸入空気量に応じて、ＨＣＣＩ領域Ａではリーンに設定され、ＳＩ領域Ｂではそれよりもリッチ（例えば理論空燃比近傍）に設定される。

以下、ＰＣＭ３０（とくに、運転状態判定部燃料噴射制御部）によって実行される、燃料噴射弁１８の燃料噴射量、噴射パルス幅及び燃料噴射時期等を制御するとともに、高圧燃料ポンプ１９の吐出圧等を制御する、本発明の要旨に係る「燃料噴射制御」の制御手法を説明する。まず、図５（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、燃料噴射制御の概要を説明する。

図５（ｂ）に示すように、この燃料噴射制御では、エンジンの運転状態がＨＣＣＩモードであるときには、排気弁１２の開弁期間と吸気弁１１の開弁期間とを、排気上死点付近で両弁１２、１１がともに閉弁されるＮＶＯ期間が存在するように設定する。そして、排気上死点前においてＮＶＯ期間中に、噴射した燃料が自己着火するように燃料噴射弁１８によりＮＶＯ噴射（パイロット噴射）を行う。この後、排気上死点後においてＮＶＯ期間が終了して吸気弁１１が開弁された後に、燃料噴射弁１８によりメイン噴射を行う。なお、ＮＶＯ噴射で噴射される燃料は、メイン噴射で噴射される燃料に比べて非常に少量である。

かくして、吸気行程の後段及び圧縮行程の前段において、燃焼室６内にほぼ均一な混合気（予混合気）が形成される。この混合気は、圧縮上死点付近で自己着火する。その結果、混合気ないしは燃料は、火炎伝播を生じさせることなく急速に燃焼する。この場合、燃焼温度は火花点火の場合に比べて低いので、ＮＯｘ発生量が大幅に低減される。

ＨＣＣＩモードでは、ＮＶＯ期間を設けているので、燃焼室６内に高温の内部ＥＧＲが残留し、圧縮行程で混合気の温度を高めることができる。さらに、ＮＶＯ噴射では、燃料燃焼室６内の高温の内部ＥＧＲ中に燃料が噴射され、この燃料が改質されることと、燃焼して燃焼熱を発生させることとで、この後の圧縮行程で混合気の温度を十分に高めることができる。その結果、混合気を確実に自己着火させることができる。

そして、要求トルク（又はエンジン負荷）が所定の第１トルク（又は第１エンジン負荷）以上のとき（以下「高負荷自己着火時」という。）には、第１燃料圧でもってＮＶＯ噴射を行う。これに対して、要求トルク（又はエンジン負荷）が第１トルク（又は第１エンジン負荷）未満のとき（以下「低負荷自己着火時」という。）には、第１燃料圧より高い第２燃料圧でもってＮＶＯ噴射を行う。

ここで、低負荷自己着火時のＮＶＯ噴射の燃料噴射量は、高負荷自己着火時のＮＶＯ噴射の燃料噴射量より多くする。また、同一の気筒サイクルでは、ＮＶＯ噴射の燃料圧とメイン噴射の燃料圧とをほぼ等しくしあるいは等しくする。ここで、ＨＣＣＩモードでは、ＮＶＯ噴射を行う際に、要求トルク又はエンジン負荷が小さいときほど燃料噴射量を多くするようにしてもよい。この場合、要求トルク又はエンジン負荷が小さいときほど燃料圧すなわち燃料噴射圧力を高くすることにより燃料噴射量を多くするのが好ましい。

他方、図５（ａ）に示すように、エンジンの運転状態がＳＩモードであるときには、排気弁１２の開弁期間と吸気弁１１の開弁期間とを、排気上死点付近で両弁１２、１１の開弁期間がオーバーラップするように設定する。そして、排気上死点後において、吸気弁１１が開弁された後に１回だけ燃料噴射を行う。この後、圧縮上死点前に、点火プラグ１６により混合気に点火する。その結果、混合気ないしは燃料が火炎伝播により燃焼する。なお、ＳＩモードにおける燃料圧は、ＨＣＣＩモードの場合の第１燃料圧又は第２燃料圧よりも高く設定する。

かくして、この燃料噴射制御では、エンジンの運転状態がＨＣＣＩモードであるときにおいて、低負荷自己着火時には、ＮＶＯ噴射の燃料圧を高くするので、ＮＶＯ噴射ではより多くの燃料を限られたＮＶＯ期間内に確実に噴射することができる。したがって、より多くの熱を発生させて圧縮上死点付近での自己着火温度を確保することができ、ＨＣＣＩ領域を低負荷側に拡大することができる。また、燃料圧が高いので燃料の微粒化が促進され、燃料の燃焼性が良好となり、ＮＶＯ噴射の増量に起因するスモークの発生を防止又は抑制することができる。

他方、エンジンの運転状態がＨＣＣＩモードであるときにおいて、高負荷自己着火時には、ＮＶＯ噴射の燃料圧が低いので、燃料噴射弁１８の開弁時間を最小にしつつ可及的に少ない噴射量でＮＶＯ噴射を行うことができる。すなわち、高負荷自己着火時にはトルク発生への寄与率の小さいＮＶＯ噴射を少なくして、エンジンの運転効率を全体として向上させることができる。

なお、エンジンの運転状態がＨＣＣＩモードであるときに、同一の気筒サイクルにおけるＮＶＯ噴射の燃料圧とメイン噴射の燃料圧とを等しくすれば、メイン噴射の燃料圧が従来に比べて高くなり、燃料の微粒化が促進される。このため、燃料圧の制御機構を複雑化することなく、高負荷自己着火時におけるメイン燃料の燃焼室内壁への付着を防止又は抑制することができる。

以下、図６に示すフローチャートに従って、ＰＣＭ３０（とくに燃料噴射制御部）によって実行される燃料噴射制御の制御手法を具体的に説明する。図６に示すように、燃料噴射制御が開始されると（スタート）、まずステップＳ１０で燃焼モードの判定を行う。具体的には、例えば図２に示す制御マップを用いて、エンジン負荷とエンジン回転数（すなわちエンジン回転速度）とに基づいて、エンジンの運転状態がＨＣＣＩ領域Ａに入っていればＨＣＣＩモードであると判定し、ＳＩ領域Ｂに入っていればＳＩモードであると判定する。ステップＳ１０で、燃焼モードがＨＣＣＩモードであると判定したときは、順にステップＳ１１〜Ｓ１９を実行し、燃料噴射弁１８によりＮＶＯ噴射とメイン噴射とを行い、点火プラグ１６による点火を行うことなく、圧縮自己着火により燃料を燃焼させる。

以下、ステップＳ１１〜Ｓ１９で実行されるＨＣＣＩモードでの具体的な制御動作を説明する。
ステップＳ１１では、ＮＶＯ噴射のための燃料噴射量（以下「ＮＶＯ噴射量」という。）と、メイン噴射のための燃料噴射量（以下「メイン噴射量」という。）とを算出する。ここで、ＮＶＯ噴射量は、例えば図７（ａ）に示す制御マップを用いて、エンジン負荷とエンジン回転数とに基づいて算出する。

図７（ａ）に示すように、この制御マップでは、ＮＶＯ噴射量は、エンジン負荷が小さいときほど多くなるように設定されている。このように、エンジン負荷が小さいときほどＮＶＯ噴射量を多くしてＮＶＯ燃料の燃焼による熱発生量を増加させるようにしているので、内部ＥＧＲの温度が低い低負荷領域でも、圧縮上死点付近での自己着火温度を確保することができ、ＨＣＣＩ領域を低負荷側に拡大することができる。他方、メイン噴射量は、所望のエンジントルクが得られるよう、エンジン負荷、エンジン回転数等に基づいて普通の手法で算出する。なお、ＮＶＯ噴射量は、メイン噴射量に比べて少量である。

ステップＳ１２では、目標燃料圧を算出する。目標燃料圧は、例えば図７（ｂ）に示す制御マップを用いて、エンジン負荷とエンジン回転数とに基づいて算出する。図７（ｂ）に示すように、この制御マップでは、目標燃料圧は、エンジン負荷が小さいときほど高くなるように設定されている。なお、図７（ｃ）に、エンジン回転数が一定である場合における、燃料圧のエンジン負荷に対する変化特性の一例を示す。図７（ｃ）に示すように、この実施形態では、ＨＣＣＩ領域においてエンジン回転数が一定とすれば、燃料圧は負荷の増加に伴って直線的に低下する。なお、目標燃料圧は、ＮＶＯ噴射及びメイン噴射に共通である。

このように、エンジン負荷が小さいときほど燃料圧を高くしているので、低負荷領域ではＮＶＯ噴射量が比較的多いのにもかかわらず、噴射時間をほとんど増加させる必要はなく、燃料を非常に短いＮＶＯ期間中に確実に噴射することができる。また、燃料圧が高いので、燃料の微粒化が促進され、燃料の燃焼性が良好となり、ＮＶＯ噴射の増量に起因するスモークの発生を防止又は抑制することができる。

ステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出された目標燃料圧が実現されるよう、高圧燃料ポンプ１９を駆動する。ステップＳ１４では、燃料圧センサ３７によって検出される燃料圧に基づいて、燃料圧を、目標燃料圧が実現されるよう補正する。ステップＳ１５では、ＮＶＯ噴射量と燃料圧とに基づいて、ＮＶＯ噴射の噴射パルス幅、すなわちＮＶＯ噴射における燃料噴射弁１８の開弁時間を算出する。なお、一般に、燃料噴射量は、燃料圧と燃料噴射弁１８の開弁時間（噴射パルス幅）の積に比例する。ステップＳ１６では、ステップＳ１５で算出された噴射パルス幅で燃料噴射弁１８を開弁させ、ＮＶＯ噴射を実行する。

ステップＳ１７では、燃料圧センサ３７によって検出される燃料圧に基づいて、燃料圧を、目標燃料圧が実現されるよう再び補正する。このように、燃料圧を再び補正するのは、ＮＶＯ噴射により燃料圧が若干変化するおそれがあるからである。ステップＳ１８では、メイン噴射量と燃料圧とに基づいて、メイン噴射の噴射パルス幅、すなわちメイン噴射における燃料噴射弁１８の開弁時間を算出する。ステップＳ１９では、ステップＳ１８で算出された噴射パルス幅で燃料噴射弁１８を開弁させ、メイン噴射を実行する。この後、ステップＳ１０に復帰する（リターン）。

前記のステップＳ１０で、燃焼モードがＳＩモードであると判定したときは、順にステップＳ２０〜Ｓ２５を実行し、燃料噴射弁１８により普通の燃料噴射を行い、点火プラグ１６による点火により燃料を燃焼させる。以下、ステップＳ２０〜Ｓ２５で実行されるＳＩモードにおける具体的な制御動作を説明する。

ステップＳ２０では、エンジン負荷とエンジン回転数とに基づいて、普通の手法で燃料噴射量を算出する。ステップＳ２１では、エンジン回転数に基づいて目標燃料圧を算出する。図７（ｃ）に示すように、この実施形態では、ＳＩ領域においてエンジン回転数を一定とすれば、燃料圧は負荷にかかわらず一定である。なお、図７（ｃ）から明らかなとおり、ＳＩモードにおける燃料圧は、ＨＣＣＩモードにおける低負荷時の燃料圧よりも高く設定している。

ステップＳ２２では、ステップＳ２１で算出された目標燃料圧が実現されるよう、高圧燃料ポンプ１９を駆動する。ステップＳ２３では、燃料圧センサ３７によって検出される燃料圧に基づいて、燃料圧を、目標燃料圧が実現されるよう補正する。ステップＳ２４では、燃料噴射量と燃料圧とに基づいて、燃料噴射の噴射パルス幅、すなわち燃料噴射弁１８の開弁時間を算出する。ステップＳ２５では、ステップＳ２４で算出された噴射パルス幅で燃料噴射弁１８を開弁させ、燃料噴射を実行する。この後、ステップＳ１０に復帰する（リターン）。

この燃料噴射制御において、ＨＣＣＩモードでは、前のサイクルの高温の既燃ガスすなわち内部ＥＧＲが有する熱と、ＮＶＯ噴射による燃料の燃焼熱とを、次のサイクルの圧縮自己着火の熱源としている。そして、低負荷時には、内部ＥＧＲの温度（排気温）が低いので、燃料ないしは混合気の圧縮自己着火を確実に行わせるには、高負荷時に比べて、圧縮自己着火の熱源の熱量を多くする必要がある。ここで、圧縮自己着火の熱源の熱量を多くする手法としては、ＮＶＯ期間を長くして内部ＥＧＲ量を多くするといった手法と、ＮＶＯ噴射量を多くするといった手法とが考えられる。

燃費性と制御性のバランスを考慮すると、ＮＶＯ期間を長くするといった手法よりも、ＮＶＯ噴射量を多くするといった手法の方が有利である。そして、ＮＶＯ噴射量は、燃料噴射弁１８の噴射パルス幅を広げることにより、又は燃料圧を高くすることにより増やすことができる。ここで、両者を比較すると、単純に燃料噴射弁１８の噴射パルス幅を広げるよりも、燃料圧を高くする方が、燃料の微粒化が促進され、その分スモークが低減されるので有利である。そこで、この燃料噴射制御では、燃料圧を高くすることによりＮＶＯ噴射量を増やすようにしている。このように燃料圧を高くすることによりＮＶＯ噴射量を増やす場合、ＮＶＯ噴射の噴射パルス幅を、最小噴射パルス幅に保ったままで所定のＮＶＯ噴射量を確保できるように燃料圧を高めるのが好ましい。

以上、本発明の実施形態によれば、ＨＣＣＩモードにおけるＮＶＯ噴射では、ＨＣＣＩ領域を低負荷側に拡大しつつ、非常に短いＮＶＯ期間中に所望の量の燃料を所望のタイミングで確実に噴射することができる。このため、圧縮上死点付近での自己着火温度を確保することができ、ＮＶＯ噴射の増量に起因するスモークの発生を防止ないしは抑制することができる。

１ エンジン本体部、２ 気筒、３ シリンダブロック、４ シリンダヘッド、５ ピストン、６ 燃焼室、７ クランク軸、９ 吸気ポート、１０ 排気ポート、１１ 吸気弁、１２ 排気弁、１３ 動弁機構、１４ ＶＶＬ、１５ ＶＶＴ、１６ 点火プラグ、１７ 点火回路、１８ 燃料噴射弁、１９ 高圧燃料ポンプ、２０ 吸気通路、２１ サージタンク、２２ スロットル弁、２３ 過給機、２４ 電動モータ、２５ 排気通路、２７ 触媒コンバータ、３０ ＰＣＭ、３１ クランク角センサ、３２ エアフローセンサ、３３ アクセル開度センサ、３４ 筒内圧センサ、３５ 車速センサ、３６ 吸気温センサ、３７ 燃料圧センサ。

Claims (6)

1. 燃焼室内の燃料を圧縮自己着火させることによりトルクを生成することが可能な内燃機関を制御する方法であって、
   要求トルクが所定の第１トルク以上のときに、気筒サイクルにおいて、排気上死点前に排気弁を閉弁させるとともにパイロット燃料を第１燃料圧でもって噴射し、排気上死点後において前記パイロット燃料の噴射後に吸気弁を開弁させ、該吸気弁の開弁後にメイン燃料を自己着火するように噴射する高負荷自己着火工程と、
   要求トルクが上記第１トルク未満のときに、気筒サイクルにおいて、排気上死点前に排気弁を閉弁させるとともにパイロット燃料を上記第１燃料圧より高い第２燃料圧でもって噴射し、排気上死点後において前記パイロット燃料の噴射後に吸気弁を開弁させ、該吸気弁の開弁後にメイン燃料を自己着火するように噴射する低負荷自己着火工程とを有することを特徴とする内燃機関を制御する方法。
2. 上記低負荷自己着火工程でのパイロット燃料の噴射量を、上記高負荷自己着火工程でのパイロット燃料の噴射量より多くすることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関を制御する方法。
3. 同一の気筒サイクルにおけるパイロット燃料の噴射圧力とメイン燃料の噴射圧力とをほぼ等しくすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関を制御する方法。
4. 要求トルクが、上記第１トルクより大きい所定の第２トルク以上のときに、上記第１燃料圧より高い第３燃料圧で燃料を噴射するとともに、該燃料を火花点火させる火花点火工程をさらに有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関を制御する方法。
5. 上記第３燃料圧を上記第２燃料圧より高くすることを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関を制御する方法。
6. 燃焼室内の燃料を圧縮自己着火させることによりトルクを生成することが可能な内燃機関の制御装置であって、
   要求トルクが所定の第１トルク以上のときに、気筒サイクルにおいて、排気上死点前に排気弁を閉弁させるとともにパイロット燃料を第１燃料圧でもって噴射させ、排気上死点後において前記パイロット燃料の噴射後に吸気弁を開弁させ、該吸気弁の開弁後にメイン燃料を自己着火するように噴射させる高負荷自己着火制御手段と、
   要求トルクが上記第１トルク未満のときに、気筒サイクルにおいて、排気上死点前に排気弁を閉弁させるとともにパイロット燃料を上記第１燃料圧より高い第２燃料圧でもって噴射させ、排気上死点後において前記パイロット燃料の噴射後に吸気弁を開弁させ、該吸気弁の開弁後にメイン燃料を自己着火するように噴射させる低負荷自己着火制御手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images