JP2017015038A - 内燃機関の制御装置、制御方法、及び制御プログラム、並びに内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】混合気をリーン状態とした場合でも、燃焼を安定させて、熱効率を向上させることが可能な内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】ＥＣＵ１００は、エンジン１の負荷が所定の低負荷領域にあるときに、圧縮行程において燃焼室１７内の混合気に自着火が生じるように、動弁機構７０に、排気行程ないし吸気行程において吸気バルブ１５及び排気バルブ１６の両方が閉じられる負のオーバーラップ期間を生成させる。ＥＣＵ１００は、自着火が生じる時期よりも後の所定の時期に点火プラグ３１を点火させる。【選択図】図１３

Description

本発明は、燃焼室内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火式の内燃機関の制御装置、制御方法、及び制御プログラム、並びに内燃機関システムに関する。

特許文献１は、燃焼室内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火式の内燃機関を開示している。また、特許文献１は、混合気をその空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態とし、希薄燃焼を行わせる技術を開示している。

特開２０１５−０７２００３号公報

内燃機関において希薄燃焼を行うと一般に熱効率が向上する。しかし、リーン状態では初期火炎を形成できずに失火する場合がある。また、初期火炎が形成された場合でも火炎伝播速度が遅く、部分燃焼となる場合がある。このような失火や部分燃焼は希薄燃焼による熱効率の向上を阻害する。

本発明は、混合気をリーン状態とした場合でも、燃焼を安定させて、熱効率を向上させることが可能な内燃機関の制御装置、制御方法、及び制御プログラム、並びに内燃機関システムを提供する。

本発明の内燃機関の制御装置は、燃焼室内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火式の内燃機関の制御装置である。
内燃機関は、
吸気バルブと、排気バルブと、吸気バルブ及び排気バルブを開閉するとともに、吸気バルブと排気バルブとのうち少なくとも排気バルブの開弁時期を変更可能なように構成された動弁機構とを備える。
制御装置は、 内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
動弁機構の動作を制御する動弁機構制御手段と、
点火プラグの点火時期を制御する点火制御手段と、を備える。
動弁機構制御手段は、負荷が所定の低負荷領域にあるときに、圧縮行程において燃焼室内の混合気に自着火が生じるように、動弁機構に、排気行程ないし吸気行程において吸気バルブ及び前記排気バルブの両方が閉じられる負のオーバーラップ状態を生成させる。
点火制御手段は、自着火が生じる時期よりも後の所定の時期に点火プラグを点火させる。

本発明の内燃機関の制御方法は、燃焼室内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火式の内燃機関の制御方法である。
内燃機関は、
吸気バルブと、排気バルブと、吸気バルブ及び排気バルブを開閉するとともに、吸気バルブと排気バルブとのうち少なくとも排気バルブの開弁時期を変更可能なように構成された動弁機構とを備える。
制御方法は、
動弁機構の動作を制御する動弁機構制御工程と、
点火プラグの点火時期を制御する点火制御工程と、を含む。
動弁機構制御工程において、内燃機関の負荷が所定の低負荷領域にあるときに、圧縮行程において燃焼室内の混合気に自着火が生じるように、動弁機構に、排気行程ないし吸気行程において吸気バルブ及び排気バルブの両方が閉じられる負のオーバーラップ状態を生成させる。
点火制御工程において、自着火が生じる時期よりも後の所定の時期に点火プラグを点火させる。

本発明の内燃機関の制御プログラムは、コンピュータを、内燃機関の制御装置として機能させる。

本発明の内燃機関システムは、燃焼室内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火式の内燃機関と内燃機関を制御する制御装置とを有する。
内燃機関は、
吸気バルブと、排気バルブと、吸気バルブ及び排気バルブを開閉するとともに、吸気バルブと排気バルブとのうち少なくとも排気バルブの開弁時期を変更可能なように構成された動弁機構とを備え、
制御装置は、
動弁機構の動作を制御する動弁機構制御手段と、
点火プラグの点火時期を制御する点火制御手段と、を備え、
動弁機構制御手段は、内燃機関の負荷が所定の低負荷領域にあるときに、圧縮行程において燃焼室内の混合気に自着火が生じるように、動弁機構に、排気行程ないし吸気行程において吸気バルブ及び排気バルブの両方が閉じられる負のオーバーラップ状態を生成させ、
点火制御手段は、自着火が生じる時期よりも後の所定の時期に点火プラグを点火させる。

本発明によれば、火花点火式のエンジンにおいて、負荷が所定の低負荷領域にあるときに、排気行程ないし吸気行程において吸気バルブ及び排気バルブの両方が閉じられる負のオーバーラップ状態が生成され、圧縮行程において燃焼室内の混合気に自着火が生じ、その後点火プラグが点火される。本願発明者の知見によれば、負荷が所定の低負荷領域にあるときに、負のオーバーラップ状態として自着火を生じさせ、その後点火プラグにより点火することにより、混合気をリーン状態とした場合でも、燃焼を安定させて、熱効率を向上させることができる。

実施形態１に係るエンジンシステムの構成を示す図である。 実験において利用したエンジンの主要諸元を示す図である。 実験及びシミュレーションにおけるＮＶＯ期間の設定条件を示す図である。 空燃比（Ａ／Ｆ）に対するＭＢＴの特性を示す図である。 空燃比（Ａ／Ｆ）に対する図示平均有効圧及び図示平均有効圧の変動率の特性を示す図である。 空燃比（Ａ／Ｆ）に対する図示熱効率の特性を示す図である。 クランク角に対する熱発生率の特性を示す図である。 空燃比に対するＭＢＦ２−５０％期間の特性を示す図である。 ＮＶＯ期間の長さに対する内部ＥＧＲ率の特性、およびＮＶＯ期間に対する点火直前（３４０°ＣＡ）の筒内温度の特性を示す図である。 シリンダ内の燃焼室の体積に対するガスの圧力を示す図（Ｌｏｇ−ＰＶ線図）である。 トルク（エンジン負荷）に対する図示熱効率、正味熱効率、及び燃料消費率の特性を示す図である。 火花点火式エンジンにおいてＮＶＯ運転を行う場合の熱発生率の適正範囲を示す図である。 エンジンの各運転モードにおける開弁時期制御の一例を説明する図である。 最適燃焼を説明するためのクランク角に対する熱発生率の特性を示す図である。 最適燃焼が得られていないときの燃焼例を示す図である。 実施形態１のエンジン制御装置による制御の流れを示すフローチャートである。 イオン電流センサの構成を示す図である。 実施形態３に係るエンジンシステムの構成を示す図である。 実施形態３のエンジン制御装置による燃焼制御の流れを示すフローチャートである。 実施形態４に係るエンジンの点火系の構成を示す図である。 実施形態４のエンジン制御装置による制御の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明に係る実施の形態を図面を参照して説明する。

１．構成
図１は、実施形態１に係るエンジンシステムの構成を示す図である。エンジンシステムは、例えば自動車に配備されるものであり、エンジン１（内燃機関）と、エンジン１の動作を制御するエンジン制御装置１００（ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、以下「ＥＣＵ１００」という）とを有する。

エンジン１は、エンジン本体１０、燃料供給系２０、点火系３０、吸気通路４０、排気通路５０、排気還流通路６０、動弁機構７０等を有する。

エンジン本体１０は、シリンダブロック１１、ピストン１２、ピストンロッド１３、クランクシャフト１４、吸気バルブ１５、排気バルブ１６を有する。シリンダブロック１１とピストン１２とにより燃焼室１７が形成される。ピストン１２は、シリンダブロック１１の内部のシリンダボア内を摺動する。ピストンロッド１３は、ピストン１２の直線運動をクランクシャフト１４の回転運動に変換する。シリンダブロック１１には、圧力センサ１８及びクランクポジションセンサ１９が取り付けられている。圧力センサ１８は、燃焼室１７内のガスの圧力を示す信号を出力する。クランクポジションセンサ１９は、ピストン１２が上死点（ＴＤＣ）にあるときのクランクシャフト１４の回転位置を基準とする回転角（クランク角）を示す信号を出力する。

吸気バルブ１５は、エンジン本体１０の燃焼室１７と吸気通路４０とを連通する連通部を開閉する。排気バルブ１６は、エンジン本体１０の燃焼室１７と吸気通路４０とを連通する連通部を開閉する。

動弁機構７０は、吸気バルブ１５を開閉させる吸気側動弁機構７１と、排気バルブ１６を開閉させる排気側動弁機構７２とを有する。排気側動弁機構７２は、排気バルブ１６の開弁時期（開弁タイミング）を可変とする可変バルブタイミング制御機構（ＶＶＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ−ｃｏｎｔｒｏｌ）と、排気バルブ１６のバルブリフト量を可変とする可変バルブリフト制御機構（ＶＶＬ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｌｉｆｔ−ｃｏｎｔｒｏｌ）とを有する。これらの機構としては公知のものが利用可能であり、詳しい説明は省略する。本実施形態の可変バルブタイミング制御機構は、排気行程ないし吸気行程において吸気バルブ１５と排気バルブ１６の両方を閉じる所謂、負のオーバーラップ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｖａｌｖｅ−ｏｖｅｒｌａｐ、以下適宜「ＮＶＯ」という）を実現可能に構成されている。

吸気通路４０には、上流側から順に、エアクリーナ４１、吸気流量センサ４２、及びスロットルバルブ４３が配置されている。エアクリーナ４１は、内部にフィルターエレメントが収容されており、吸入する新気をフィルターエレメントによって濾過する。吸気流量センサ４２は、吸気通路４０に外部から流入する新気の流量を示す信号を出力する。スロットルバルブ４３は、ＥＣＵ１００から出力される開度信号に基づいて開度が制御され、吸気通路４０を流れる新気の流量を調節する。

排気通路５０には、消音器（図示せず）が配置されている。

排気還流通路６０は、排気通路５０と吸気通路４０とを接続する通路であり、排気通路５０から吸気通路４０に排気ガスを還流する（外部ＥＧＲ）。排気還流通路６０上には、排気還流バルブ６１が配置されている。排気還流バルブ６１は、ＥＣＵ１００から出力される開度信号に基づいて開度が制御され、還流する排気ガスの量を調整する。

燃料供給系２０は、インジェクタ２１、燃料ポンプ２２、及び燃料タンク２３を備え、燃料タンク２３内の燃料を燃料ポンプ２２によりインジェクタ２１に供給する。インジェクタ２１は、吸気通路４０に燃料噴射口が臨むように配置され、ＥＣＵ１００から出力される燃焼噴射信号に基づいて吸気通路４０内に燃焼を噴射する。

点火系３０は、点火プラグ３１、点火コイル３２、及びイグナイタ３３を備え、ＥＣＵ１００から出力される点火信号をイグナイタ３３が受けたときに、点火コイル３２により高電圧を発生し、点火プラグ３１から火花を発生させる。

ＥＣＵ１００は、制御部、記憶部、信号インタフェース等を備え、各センサや各アクチュエータとの間で各種の信号を入力あるいは出力する。記憶部は、ＥＣＵ１００の種々の機能を実現させるためのプログラムや、後述する運転領域マップ等の種々のデータを格納している。制御部は、例えばＣＰＵ、ＭＰＵ、またはＦＰＧＡにより構成される。ＥＣＵ１００は、制御部が上記プログラム及び種々のデータ等に基づいて演算処理を行うことにより各種の機能を実現する。ＥＣＵ１００の機能は、制御部、記憶部等のハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。

ＥＣＵ１００は、少なくとも、クランクポジションセンサ１９から出力されるクランク角を示す信号、圧力センサ１８から出力される燃焼圧力を示す信号、車両に設けられたアクセルペダルモジュール８０から出力される踏込量を示す信号を入力し、これらの信号に基づいて、各種のアクチュエータを制御する。アクセルペダルモジュール８０に対する踏込量は、一般にエンジン負荷（トルク）の大きさに略対応しており、ＥＣＵ１００は、この踏込量を示す信号を、エンジン負荷を示す信号として利用し、エンジンの燃焼制御（運転制御）を行う。

２．本発明の課題等
本実施形態の具体的な制御を説明する前に、本発明の課題等について説明する。

２−１．課題
発明が解決しようとする課題の欄において説明したように、内燃機関において希薄燃焼を行うと一般に熱効率が向上する。しかし、リーン状態では初期火炎を形成できずに失火する場合がある。また、初期火炎が形成された場合でも火炎伝播速度が遅く、部分燃焼となる場合がある。このような失火や部分燃焼は希薄燃焼による熱効率の向上を阻害する。

そこで、本発明は、混合気をリーン状態とした場合でも、燃焼を安定させて、熱効率を向上させることが可能なエンジンの制御装置を提供することを課題としている。

この課題に対処するため、本願発明者は鋭意検討を行い、火花点火（ＳＩ）による燃焼（ＳＩ燃焼）を行うエンジンをベースとした技術についての知見を得た。具体的に、各燃焼サイクルにおいて火花点火による燃焼を行わせるとともに、当該火花点火の前の排気行程ないし吸気行程において吸気バルブ１５及び排気バルブ１６の両方を閉じて負のオーバーラップ状態を生成し、圧縮行程において自着火（ＣＩ）による燃焼（ＣＩ燃焼）を発生させるというものである。換言すれば、圧縮行程において自着火による燃焼（ＣＩ燃焼）を発生させた後、さらに火花点火による燃焼を行わせるものである。このような燃焼制御を行った場合の燃焼特性等について本願発明者は実験及びシミュレーションにより検証を行い、最適な燃焼が得られる条件について検討を行った。以下、検討結果について説明する。

２−２．供試エンジンの主要諸元及びバルブタイミング
図２は、実験において利用したエンジンの主要諸元を示す図である。利用したエンジンは、シリンダ数が３、排気量が６５８ｃｃ、圧縮率が１１、ボアの直径が６４．０ｍｍ、ストロークが６８．２ｍｍ、噴射タイプがポート噴射のエンジンである。

図３は、実験及びシミュレーションにおけるＮＶＯ期間の設定条件を示す図である。本評価においては、所謂、正のオーバーラップ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｖａｌｖｅ−ｏｖｅｒｌａｐ、以下適宜「ＰＶＯ」という）に対して吸気バルブ１５の開弁時期は変更せず、排気バルブ１６の開弁時期のみを変更した。ＰＶＯにおいて、吸気バルブ１５及び排気バルブ１６の最大リフト量は７．６ｍｍ、開弁期間は２１０°ＣＡである。ＮＶＯにおいて、排気バルブ１６の最大リフト量は２．６ｍｍ、開弁期間は９０°ＣＡであり、この最大リフト量及び開弁期間を維持した状態で開弁時期を変更する。ＮＶＯ期間は、２６°ＣＡ，４３°ＣＡ，６０°ＣＡ，７７°ＣＡの４種類とした。また、ＰＶＯにおける正のオーバーラップ期間を２°ＣＡとした。以下において、ＮＶＯ期間を２６°ＣＡ，４３°ＣＡ，６６°ＣＡ，７７°ＣＡに設定した状態を適宜ＮＶＯ２６、ＮＶＯ４３、ＮＶＯ６０、ＮＶＯ７７という。また、ＰＶＯ期間を２°ＣＡに設定した状態を適宜ＰＶＯ２という。

２−３．空燃比特性
図４Ａは、空燃比（以下適宜「Ａ／Ｆ」という）に対するＭＢＴの特性を示す図である。ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）とは、エンジン回転数や吸気量等が同一の条件の基で点火時期のみを変化させた場合において、トルクが最大となる点火時期である。図４Ａは、圧縮ＴＤＣに対するＭＢＴの進角量（°ＣＡ）の特性を示している。図４Ｂは、空燃比（Ａ／Ｆ）に対する図示平均有効圧（ＩＭＥＰ（Ｉｎｄｉｃａｔｅｄ Ｍｅａｎ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）、及び図示平均有効圧の変動率の特性を示す図である。図４Ｃは、空燃比（Ａ／Ｆ）に対する図示熱効率の特性を示す図である。計測条件は、エンジン回転数が１０００ｒｐｍ、スロットル開度（以下「ＴＶＯ」という）が１０％、点火時期がＭＢＴである。

図４Ａに示すように、圧縮ＴＤＣに対するＭＢＴの進角量（°ＣＡ）は空燃比が大きくなるほど大きくなる。また、ＭＢＴの圧縮ＴＤＣに対する進角量（°ＣＡ）は、ＮＶＯ期間が長くなるほど概ね大きくなる傾向がある。つまり、ＭＢＴは空燃比が大きくなるほど、またＮＶＯ期間が長くなるほど進角する傾向がある。

図４Ｂに示すように、図示平均有効圧は、ＮＶＯ期間が２６°ＣＡ及び４３°ＣＡの場合、ＰＶＯ２よりも向上する。つまり、リーン限界が向上する。しかし、ＮＶＯ期間が６０°ＣＡにまで長くなると、図示平均有効圧はＰＶＯの場合とほぼ同じとなり、ＮＶＯ期間がさらに７７°ＣＡまで長くなると、悪化している。つまり、図示平均有効圧は、ＮＶＯ期間が４３°ＣＡ付近よりも小さければ向上するが、それよりも大きくなると悪化する。

また、図示平均有効圧の変動率（以下、適宜「図示平均有効圧変動率」という）は、ＮＶＯ期間が２６°ＣＡ及び４３°ＣＡの場合、空燃比にかかわらず３％以下であり、安定している。つまり、エンジンの運転状態が安定する。しかし、図示平均有効圧変動率は、ＮＶＯ期間が６０°ＣＡの場合、空燃比が１８を超すと３％を大きく超し、ＮＶＯ期間が７７°ＣＡの場合、空燃比が１６を超すと３％を大きく超す。つまり、エンジンの運転状態が不安定となりやすい。

図４Ｃに示すように、図示熱効率は、エンジン回転数が１０００ｒｐｍでスロットル開度が１０％の場合、上記４つのＮＶＯ期間の全てにおいてＰＶＯの場合よりも低下する。

２−４．リーン限界の向上要因の解析
上述のように、ＮＶＯ２６及びＮＶＯ４３においてリーン限界が向上している。以下に、リーン限界の向上要因の検討結果について図面を参照して説明する。

２−４−１．熱発生率
図５Ａは、クランク角に対する熱発生率の特性を示す図である。熱発生率（Ｊ／°ＣＡ）とは、単位クランク角（°ＣＡ）当たりの熱発生量（Ｊ）である。図５Ｂは、空燃比に対するＭＢＦ２−５０％期間の特性を示す図である。ＭＢＦとは、質量燃焼割合（Ｍａｓｓ Ｂｕｒｎ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）である。なお、図５Ａの熱発生率は、燃焼が比較的安定する空燃比が１６の場合の熱発生率である。矢印は、各ＮＶＯ期間における点火時期を示す。点火時期は、上述の図４Ａに示すＭＢＴに対応している。各ＮＶＯとＰＶＯとを比較すると、以下のことがいえる。
（１）ＭＢＴは、各ＮＶＯにおいて、ＰＶＯ２よりも遅角する。
（２）火炎伝播速度は、ＮＶＯ２６、ＮＶＯ４３、ＮＶＯ６０においてＰＶＯ２とほぼ同じであるが、ＮＶＯ７７においてはＰＶＯ２よりも遅くなる。なお、ここでの火炎伝播速度とは、ＭＢＦが２％から５０％に至るのに要するクランク角（°ＣＡ）（以下適宜、「ＭＢＦ２−５０％期間」という）である。これからわかるように、ＮＶＯ２６、ＮＶＯ４３におけるリーン限界向上の要因は、火炎伝播速度が維持されていることであると考えられる。

２−４−２．内部ＥＧＲ率と点火直前の筒内温度
図６は、ＮＶＯ期間の長さに対する内部ＥＧＲ率の特性、およびＮＶＯ期間の長さに対する点火直前（３４０°ＣＡ）の筒内温度の特性を示す図である。筒内温度は、燃焼室１７内のガス（混合気、燃焼ガスの両方を含む）の温度（Ｋ）である。図６（ａ）に示すように、ＮＶ０期間が長くなるほど、内部ＥＧＲ率が高くなる。また、図６（ｂ）に示すように、ＮＶ０期間が長くなるほど、点火直前の筒内温度が高くなる。ＮＶＯ４３、ＮＶＯ６０、ＮＶＯ７７では、筒内温度がガソリンの自着火温度（摂氏約７００度）を超している。そのため、ＮＶＯ４３、ＮＶＯ６０、ＮＶＯ７７では、自着火が発生していると推定される。

２−５．図示熱効率の低下要因の解析
図４Ｃを参照して説明したように、図示熱効率は上記４種類のＮＶＯ期間においてＰＶＯ２の場合よりも低下している。この要因について図７を参照して説明する。図７は、シリンダ内の燃焼室１７の体積に対するガスの圧力を示す図（Ｌｏｇ−ＰＶ線図）である。図７からわかるように、各ＮＶＯにおいてＰＶＯ２よりも等容度が高くなる。一方、各ＮＶＯにおいて、ＰＶＯ２よりもポンピングロスが増加し、かつポリトロープ指数が低下する。このように、負のオーバーラップ（ＮＶＯ）では、等容度は向上するが、ポンピングロスが増加し、かつポリトロープ指数が低下する。そのため、各ＮＶＯにおいて図示熱効率が低下したと考えられる。

２−６．ＳＩ燃焼においてＮＶＯを適用することについてのまとめ
上記火花点火式エンジンによるＳＩ燃焼においてＮＶＯを適用すると、リーン限界は向上するが、図示熱効率は低下する。
（１）リーン限界向上の要因は、内部ＥＧＲにより筒内温度が上昇し、適切な火炎伝播速度の自着火燃焼が得られたことである。
（２）図示熱効率低下の要因は、等容度向上による改善代よりも、ポンピングロスが増加しかつポリトロープ指数が低下したことによる悪化代が大きいことである。

２−７．図示熱効率、正味熱効率、及び燃料消費率のトルクに対する特性
本願発明者は、上記の検討結果を受け、さらに、図示熱効率、正味熱効率、及び燃料消費率について、トルクに対する特性を検討した。図８は、トルク（エンジン負荷）に対する図示熱効率、正味熱効率、及び燃料消費率の特性を示す図である。図８（ａ）、図８（ｂ）に示されているように、ＮＶＯ２６、ＮＶＯ４３における図示熱効率及び正味熱効率は、トルクが１０Ｎ・ｍ以下の領域において、特にトルクが８Ｎ・ｍ以下の領域（矢印Ｃで示す領域）において、ＰＶＯ２におけるそれらよりも大きく向上している。また、ＮＶＯ２６、ＮＶＯ４３における図示熱効率及び正味熱効率は、トルクが１５Ｎ・ｍの領域（矢印Ｄ示す領域）において、ＰＶＯ２におけるそれらよりも僅かであるが向上している。

また、図８（ｃ）に示されているように、ＮＶＯ２６、ＮＶＯ４３における燃料消費率は、トルクが８Ｎ・ｍ以下の領域（矢印Ｅで示す領域）において、ＰＶＯ２におけるそれらよりも大きく向上している。特に、ＮＶＯ４３における燃料消費率は２９．２％向上している。

このように、トルクが８Ｎ・ｍ以下の領域においては、ＮＶＯ期間を２６°ＣＡや４３°ＣＡに設定することにより、ＰＶＯ２に対して図示熱効率、正味熱効率、及び燃料消費率を大きく向上させることができる。

２−８．火花点火式エンジンにおけるＳＩ燃焼に対してＮＶＯを適用する場合のエンジン制御の方向性
上記検討において明らかになったように、火花点火式エンジンにおいて、低負荷領域でＮＶＯ制御を行って自着火を発生させ、さらに火花点火を行うことは有効である。特にＮＶＯ４３では、図５Ａにおいてあらわれているように、熱発生率の最大値はＰＶＯ２の場合よりも低下している。これは、燃焼圧力の低下につながり、ポンピングロスを低下させる。その結果、図８（ｃ）に示すように、燃料消費率が２９．２％向上している。したがって、ＮＶＯ４３を中心として排気バルブ１６の開弁時期を調整することにより、図示熱効率、正味熱効率、および燃料消費率を向上させることが可能である。具体的には、図５Ａに示すＮＶＯ４３の熱発生率の特性を参照すると、概ね圧縮ＴＤＣの前の３４０°ＣＡから３４５°ＣＡの範囲において熱発生率が上昇し始め、３４５°ＣＡ以後に大きく上昇し始めている。そして、圧縮ＴＤＣの後の約５°ＣＡにおいてピークを迎えている。したがって、圧縮ＴＤＣの３４５°ＣＡから３５０°ＣＡの範囲において熱発生率が所定の値に達し、圧縮ＴＤＣの後の約５°ＣＡにおいて熱発生率が最大値をとるように、ＮＶＯ期間や点火時期を調整することが有効である。

３．制御動作
３−１．制御の概要
図９は、火花点火式エンジンにおいてＮＶＯ運転を行う場合の熱発生率の適正範囲を示す図である。本実施形態では、熱発生率が、自着火による燃焼が所定の状態に達したことを示す所定の値に上昇したときのクランク角が第１所定範囲に収束するように、動弁機構７０の負のオーバーラップ期間を制御するとともに、各燃焼サイクルにおいて、第１所定範囲に対して遅角側で点火プラグ３１を点火させる。

本実施形態において、ＥＣＵ１００は、エンジン負荷（トルク）に応じてエンジンの運転モードを設定する。具体的に、ＥＣＵ１００は、エンジン負荷（トルク）が所定負荷（トルク）以下のとき（所定の低負荷領域（以下適宜に「ＳＩ＋ＮＶＯ領域」という）にあるとき）、ＳＩ＋ＮＶＯモードでエンジンの運転を制御し、エンジン負荷がＳＩ＋ＮＶＯ領域にない場合、ＳＩモードでエンジンの運転を制御する。エンジン負荷に関するパラメータとして、例えば、アクセルペダルモジュール８０に対するユーザの踏込操作に応じて制御されるスロットルバルブ４３のスロットル開度を用いることができる。なお、ＥＣＵ１００は、現在のエンジン負荷とエンジン回転数とに応じて、エンジン１の運転モードを設定してもよい。

図１０は、各運転モードにおける開弁時期制御の一例を説明する図である。ＳＩモードは、点火プラグにより混合気に点火を行うモードである。ＳＩモードでは、図１０（ａ）に示すように、排気バルブ１６は排気行程において約１８０°ＣＡの期間開弁し、吸気バルブ１５は吸気行程において約１８０°ＣＡの期間開弁し、排気ＴＤＣを挟む微小クランク角の範囲（約２°ＣＡ）において両バルブの開弁期間が一部重複する。点火プラグ３１による点火は、例えばＭＢＴのタイミングで行われる。

ＳＩ＋ＮＶＯモードは、ＮＶＯにより混合気を自着火（ＣＩ）させ、その後さらに点火プラグ３１により火花点火（ＳＩ）を行うモードである。ＳＩ＋ＮＶＯモードでは、図１０（ｂ）に示すように、排気バルブ１６が閉じてから吸気バルブ１５が開くまでの期間、即ち吸気バルブ１５及び排気バルブ１６の両方が閉じる負のオーバーラップ（ＮＶＯ）期間を設けて、多量の内部ＥＧＲガスを残存させ、これを圧縮行程において圧縮して燃焼室１７内の混合気の温度を高めることにより、混合気の自着火を促進させる。図１０（ｂ）の例では、排気バルブ１６は排気行程において約９０°ＣＡの期間開弁し、吸気バルブ１５は吸気行程において約１８０°ＣＡの期間開弁する。ＮＶＯ期間は、エンジンの運転状態に応じて変更される。なお、ＮＶＯ期間を長くするほど、混合気における内部ＥＧＲガスの比率を増加させて、混合気の温度を上昇させることができる。

点火プラグ３１による点火タイミングは、ＭＢＴを基準とするが、熱発生率最大時期が所定の時期となるようにＭＢＴを中心として進角または遅角させる。

混合気が自着火するＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼の実現が困難な超希薄な混合気や多量の内部ＥＧＲガスによって希釈した混合気であっても実現可能である。言い換えると、あまり希薄でない混合気や希釈度合いの低い混合気では自着火のタイミングが早くなりすぎて、所謂ノッキングを起こしてしまう。

つまり、ＣＩ燃焼はかなり希薄な混合気、または多量のＥＧＲによって希釈した混合気によって実現されるものであり、そのため高い出力は得られない。そこで、本実施形態では、前述の制御マップに示すように、相対的に高負荷側の運転領域ではＳＩモードに設定し、低負荷領域ではＳＩ＋ＮＶＯモードに設定する。

３−２．ＳＩ＋ＮＶＯモードにおける最適燃焼
本願発明者は、Ａ／Ｆが約１６（リーン状態）のときの図５ＡのＮＶＯ４３にあらわれているような熱発生率の変化を示す燃焼が、概ね、ＳＩ＋ＮＶＯにおける最適な燃焼であると考えている。図９は、図５ＡのＮＶＯ４３の熱発生率の変化に基づいて本願発明者が規定した最適燃焼の特性を示す図である。なお、ＰＶＯ２と示すラインは対比用の参考のラインであり、Ａ／Ｆが１１でＮＶＯを行わないＳＩモードのときの特性を示す。図９の最適燃焼のラインは、Ａ／Ｆが１６、ＮＶＯ期間が４３°ＣＡのときのラインである。網がけ部分は、最適燃焼に準じる適切な燃焼が得られる範囲である。本実施形態では、熱発生率の変化が上記網がけの範囲に収束するようにＮＶＯ期間や点火時期の制御を行う。ＳＩ＋ＮＶＯにおける最適燃焼は、Ａ／Ｆが約１６において以下の（１）、（２）の条件を満たす燃焼である。
（１）自着火による熱発生率が所定の値（０．５）に上昇したときのクランク角が圧縮ＴＤＣ（３６０°ＣＡ）に対して１０〜１５°ＣＡ前の３４５〜３５０°ＣＡの範囲ΔＣａ（以下、適宜「第１所定範囲ΔＣａ」という）内にあること。
（２）熱発生率が最大となったときのクランク角（以下適宜「熱発生率最大時期」という）が圧縮ＴＤＣ（３６０°ＣＡ）の後の５°ＣＡを中心とする４〜６°ＣＡの範囲ΔＣｂ（以下、適宜「第２所定範囲ΔＣｂ」という）内にあり、その後速やかに燃焼を終了していること。

上記のように、Ａ／Ｆ１６のときに、自着火による燃焼の開始時期、及び熱発生率最大時期を制御することにより、ノッキング等を起こさない適切な火炎伝播速度（例えば０．５Ｊ／ＣＡ）による最適燃焼が行われる。その結果、Ａ／Ｆ１１でのＰＶＯ２における燃焼と比較して、（ａ）等容度、ポリトロープ指数、及び膨張行程の燃焼質量割合（ＭＢＦ）が大きくなり、図示熱効率が向上する。また、（ｂ）最大燃焼圧力が低下して、ピストンの摺動時の摩擦力（摩擦損失）が低減し、正味熱効率が向上する。さらに、（ｃ）点火エネルギーが低減され、燃費が向上する。

図１１は、最適燃焼を説明するためのクランク角に対する熱発生率の特性を示す図である。図１１（ａ）に示すように、自着火による熱発生率が所定の値（０．５）に上昇したときのクランク角が圧縮ＴＤＣ（３６０°ＣＡ）に対して１０〜１５°ＣＡ前の３４５〜３５０°ＣＡの範囲ΔＣａ（符号Ａで示す）内にあれば、その後、ＭＢＴで点火したときに、熱発生率を示す波形は、図１１（ｂ）に示すように、熱発生率最大時期が圧縮ＴＤＣ（３６０°ＣＡ）の後の５°ＣＡを中心とする４〜６°ＣＡの範囲（望ましい範囲。符号Ｂで示す範囲）を通る軌跡を描く可能性が高くなる。

図１２は、最適燃焼が得られていないときの燃焼例を示す図である。図１２（ａ）に示す燃焼例１では、熱発生率最大時期が３８５（２５）°ＣＡ付近にある。この場合、膨張行程において、圧縮ＴＤＣから熱発生率最大時期が３８５（２５）°ＣＡまでの間、圧力の増大に伴い、ピストン１２の下降が妨げられ、ポンピングロスが増加する。図１２（ｂ）に示す燃焼例２では、熱発生率の立ち上がりが最適燃焼よりも大きくなっている。つまり、火炎伝播速度が大きい。そのため、ノッキングが発生しやすくなる。

本実施形態では、上記の知見に基づき、（１）、（２）の条件が満たされるように、ＳＩ＋ＮＶＯ領域においてＮＶＯ期間の調整及び点火プラグ３１による点火時期の調整を行う。

３−３．具体的制御
本実施形態のエンジン１における燃焼制御について説明する。図１３は、実施形態１のエンジン制御装置（ＥＣＵ１００）による制御の流れを示すフローチャートである。本フローチャートによる制御は、１燃焼サイクル毎に繰り返し実行される。

ＥＣＵ１００は、前回の燃焼サイクルにおいて各種のセンサで計測された最新の計測値を読み込む（Ｓ１１）

ＥＣＵ１００は、失火が発生したか否かを判断する（Ｓ１２）。具体的に、ＥＣＵ１００は、各燃焼サイクルにいて筒内圧力の圧力センサ１８で検出された圧力値の最大値が第１所定値以上となったか否かを判断し、圧力値の最大値が第１所定値以上となった場合、失火が発生していないと判断し、圧力値が第１所定値未満となっていない場合、失火が発生したと判断する。

失火が発生したと判断した場合（Ｓ１２でＹｅｓのとき）、ＥＣＵ１００は、排気通路５０から吸気通路４０への排気還流量が減少するように、排気還流バルブ６１を制御する。具体的に、ＥＣＵ１００は、排気還流バルブ６１を、その開度が小さくなるように制御する。これにより、Ｇ／Ｆ（燃料に対する外部ＥＧＲガスの比率）が小さくなり（リッチ化し）、失火が生じにくくなる。

一方、失火が発生していないと判断した場合（Ｓ１２でＮｏのとき）、ＥＣＵ１００は、ノッキングが発生したか否かを判断する（Ｓ１３）。具体的に、ＥＣＵ１００は、圧力センサ１８で検出された圧力値が第２所定値以上となったか否かを判断し、圧力値が第２所定値以上となっていない場合、ノッキングが発生していないと判断し、圧力値が第２所定値以上となった場合、ノッキングが発生したと判断する。ここで、第２所定値は第１所定値よりも小さい値である。

ノッキングが発生したと判断した場合（Ｓ１３でＹｅｓのとき）、ＥＣＵ１００は、排気通路５０から吸気通路４０への排気還流量が増加するように、排気還流バルブ６１を制御する。具体的に、ＥＣＵ１００は、排気還流バルブ６１を、その開度が大きくなるように制御する。これにより、Ｇ／Ｆが大きくなり（リーン化し）、ノッキングが生じにくくなる。

一方、ノッキングが発生していないと判断した場合（Ｓ１３でＮｏのとき）、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転領域がＳＩ＋ＮＶＯ領域にあるか否かを判断する（Ｓ１４）。具体的に、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数及びエンジン負荷を、図９の運転領域判定マップに当てはめ、運転領域がＳＩ＋ＮＶＯ領域にあるか否かを判断する。このとき、ＥＣＵ１００は、エンジン負荷（トルク）が所定の低負荷（低トルク）以下か否かを判断していることとなる。

エンジン１の運転領域がＳＩ＋ＮＶＯ領域にないと判断した場合（Ｓ１４でＮｏのとき）、ＥＣＵ１００は、吸気バルブ１５及び排気バルブ１６をＰＶＯ状態とし、ＳＩモードでの燃焼制御を行う（Ｓ２１）。

一方、エンジン１の運転領域がＳＩ＋ＮＶＯ領域にあると判断した場合（Ｓ１４でＹｅｓのとき）、ＥＣＵ１００は、吸気バルブ１５及び排気バルブ１６をＮＶＯ状態として、ＳＩ＋ＮＶＯモードでの燃焼制御を開始する。より具体的に、ＥＣＵ１００は、ＳＩ＋ＮＶＯモードでの制御の開始時、ＮＶＯ期間が所定期間となるように排気側動弁機構７２を制御する。所定期間は、ＳＩ＋ＮＶＯモードでの燃焼制御を開始するときのＮＶＯ期間の初期値であり、例えば、上述したように相対的に高い熱効率が得られるＮＶＯ２６やＮＶＯ４３、またはそれらの中間、あるいはそれらの近傍の値の期間である。なお、ＳＩ＋ＮＶＯモードでの燃焼制御の開始後、後述する制御により、上述した最適燃焼が得られように、ＮＶＯ期間が調整されていく。

ＳＩ＋ＮＶＯモードでの制御中、ＥＣＵ１００は、自着火しているか否かを判断する（Ｓ１５）。具体的に、ＥＣＵ１００は、圧力センサ１８で検出された圧力値が点火プラグ３１による点火前に第３所定値以上となった場合、自着火したと判断し、第３所定値未満であった場合、自着火していないと判断する。第３所定値は、第１所定値および第２所定値よりも小さい値である。

自着火していると判断した場合（Ｓ１５でＹｅｓのとき）、ＥＣＵ１００は、自着火の時期が適正か否かを判断する（Ｓ１６）。具体的に、ＥＣＵ１００は、圧力センサ１８で検出された圧力値に基づいて熱発生率を演算により求める。圧力値に基づく熱発生率の演算は、公知の方法により行えばよい。ＥＣＵ１００は、求めた熱発生率が所定の値（例えば０．５Ｊ／°ＣＡ。所定熱発生率）に上昇したときのクランク角が圧縮ＴＤＣ（３６０°ＣＡ）に対して１０〜１５°ＣＡ（第１所定クランク角）進角側の３４５〜３５０°ＣＡの範囲（第１所定範囲ΔＣａ）内にあるか否かを判断し、第１所定範囲ΔＣａ内にあるときは自着火の時期が適正であると判断し、第１所定範囲ΔＣａ内にないときは自着火の時期が適正でないと判断する。ここで、第１所定クランク角は、他のクランク角よりも、熱発生率が最大となるときのクランク角が後述する第２所定範囲ΔＣｂに入る可能性が高いクランク角である。なお、本発明における「第１所定範囲」は、上記範囲ΔＣａに含まれる一のクランク角であってもよい。例えば、熱発生率が所定の値に上昇したときのクランク角が第１所定クランク角（例えば３４８°ＣＡ）に一致しているか否かを判断することにより、自着火の時期が適正であるか否かを判断する。そして、熱発生率が所定の値に上昇したときのクランク角が第１所定クランク角に一致しているときは適正であると判断し、第１所定クランク角に一致していないときは適正でないと判断する。

自着火の時期が適正であると判断した場合（Ｓ１６でＹｅｓのとき）、ＥＣＵ１００は、圧力センサ１８で検出された圧力値に基づいて求めた熱発生率が最大となったときのクランク角（以下適宜「熱発生率最大時期」という）が、圧縮ＴＤＣ（３６０°ＣＡ）に対してその近傍の５°ＣＡを中心とする４〜６°ＣＡ遅角側の範囲ΔＣｂ（第２所定範囲ΔＣｂ）内にあるか否かを判断し、第２所定範囲ΔＣｂ内にあるときは、熱発生率最大時期が適正であると判断し、第２所定範囲ΔＣｂ内にないときは、熱発生率最大時期が適正でないと判断する。なお、本発明における「第２所定範囲」は、上記の４〜６°ＣＡ遅角側の範囲に含まれる一のクランク角であってもよい。例えば、熱発生率最大時期が所定の時期（例えば５°ＣＡ）に一致しているか否かを判断する。そして、熱発生率最大時期が所定の時期に一致しているときは熱発生率最大時期が適正であると判断し、所定の時期に一致していないときは熱発生率最大時期が適正でないと判断する。

熱発生率最大時期が適正であると判断した場合（Ｓ１７でＹｅｓのとき）、ＥＣＵ１００は、ＳＩ＋ＮＶＯ領域における現在の燃焼制御を維持する（Ｓ１８）。

一方、前記ステップＳ１５において、自着火していないと判断した場合（Ｓ１５でＮｏのとき）、ＥＣＵ１００は、ＮＶＯ期間が大きくなるように、排気側動弁機構７２を制御する（Ｓ２２）。具体的に、ＥＣＵ１００は、排気側動弁機構７２を、排気バルブ１６の開弁時期が進角するように制御する。これにより、前燃焼サイクルよりも、シリンダ内に残留する内部ＥＧＲガスが増加して燃焼室１７内の混合気の温度ガスが高くなり、混合気が自着火しやすくなる。

また、前記ステップＳ１６において、自着火の時期が適正でないと判断した場合（Ｓ１６でＮｏのとき）、ＥＣＵ１００は、自着火の時期が適正な時期よりも早いか否かを判断する（Ｓ２３）。

自着火の時期が適正な時期よりも早い場合（Ｓ２３でＹｅｓのとき）、ＥＣＵ１００は、ＮＶＯ期間が小さくなるように、排気側動弁機構７２を制御する（Ｓ２４）。具体的に、ＥＣＵ１００は、排気側動弁機構７２を、排気バルブ１６の開弁時期が遅角するように制御する。これにより、前燃焼サイクルよりも、燃焼室１７内に残留する内部ＥＧＲガスが減少して燃焼室１７内の混合気の温度が低くなり、混合気が自着火しにくくなる。

一方、自着火の時期が適正な時期よりも遅い場合（Ｓ２３でＮｏのとき）、ＥＣＵ１００は、ＮＶＯ期間が大きくなるように、排気側動弁機構７２を制御する（Ｓ２５）。具体的に、ＥＣＵ１００は、排気側動弁機構７２を、排気バルブ１６の開弁時期が進角するように制御する。これにより、前燃焼サイクルよりも、燃焼室１７内に残留する内部ＥＧＲガスが増加して燃焼室１７内の混合気の温度が高くなり、混合気が自着火しやすくなる。

前記ステップＳ１７において、熱発生率最大時期が適正でないと判断した場合（Ｓ１７でＮｏのとき）、ＥＣＵ１００は、熱発生率最大時期が所定の適正な時期よりも早いか否かを判断する（Ｓ２６）。

熱発生率最大時期が適正な時期よりも早い場合（Ｓ２６でＹｅｓのとき）、ＥＣＵ１００は、当該サイクルにおける点火時期を前燃焼サイクルにおける点火時期よりも遅角させる（Ｓ２７）。これにより、前燃焼サイクルよりも火炎伝播の開始が遅くなり、熱発生率最大時期が遅角する。

一方、熱発生率最大時期が適正な時期よりも遅い場合（Ｓ２６でＮｏのとき）、ＥＣＵ１００は、当該サイクルにおける点火時期を前燃焼サイクルにおける点火時期よりも進角させる（Ｓ２８）。これにより、前燃焼サイクルよりも火炎伝播の開始が早くなり、熱発生率最大時期が遅角する。

４．まとめ
４−１．ＳＩ＋ＮＶＯモード時の最適燃焼制御についてのまとめ
以上説明したように、本実施形態のエンジン１（内燃機関）のＥＣＵ１００（制御装置）は、燃焼室１７内の混合気に点火プラグ３１により点火する火花点火式の内燃機関の制御装置である。
エンジン１は、
吸気バルブ１５と、排気バルブ１６と、吸気バルブ１５及び排気バルブ１６を開閉するとともに、吸気バルブ１５と排気バルブ１６とのうち少なくとも排気バルブ１６の開弁時期を変更可能なように構成された動弁機構７０と、
点火プラグ３１の点火時期を制御するＥＣＵ１００（点火制御手段）と、
圧縮行程において燃焼室１７内の混合気に自着火が生じるように、動弁機構７０に、排気行程ないし吸気行程において吸気バルブ１５及び排気バルブ１６の両方が閉じられる負のオーバーラップ状態を生成させるＥＣＵ１００（動弁機構制御手段）と、
燃焼室１７内の混合気の燃焼状態を示す燃焼圧力（パラメータ値）に基づいて熱発生率を求めるＥＣＵ１００（熱発生率推定手段）と、を備える。
ＥＣＵ１００（動弁機構制御手段）は、熱発生率が自着火による燃焼が所定の燃焼状態に達したことを示す所定の値に上昇したときのクランク角が第１所定範囲ΔＣａに収束するように、動弁機構７０の負のオーバーラップ期間を制御する。
ＥＣＵ１００（点火制御手段）は、各燃焼サイクルにおいて、第１所定範囲ΔＣａに対して遅角側で点火プラグ３１を点火する。

本実施形態のエンジン１のＥＣＵ１００によれば、火花点火式のエンジンにおいて、排気行程ないし吸気行程において吸気バルブ１５及び排気バルブ１６の両方が閉じられる負のオーバーラップ期間が生成され、圧縮行程において燃焼室１７内の混合気に自着火が生じ、その後、各燃焼サイクルにおいて点火プラグ３１が点火される。その場合において、熱発生率が自着火による燃焼が所定の状態に達したことを示す所定の値に上昇したときのクランク角が第１所定範囲ΔＣａに収束するように、負のオーバーラップ期間が制御される。そのため、混合気をリーン状態とした場合でも自着火の時期を安定させ、さらにその後の点火による火炎伝播により安定した燃焼を行わせるこができる。したがって、本発明によれば、混合気をリーン状態とした場合でも、燃焼を安定させて、熱効率を向上させることができる。

本実施形態において、
ＥＣＵ１００（動弁機構制御手段）は、
熱発生率が所定の値に上昇したときのクランク角が第１所定範囲ΔＣａに対して進角側にあるときは、負のオーバーラップ期間を短くし、
熱発生率が所定の値に上昇したときのクランク角が第１所定範囲ΔＣａに対して遅角側にあるときは、負のオーバーラップ期間を長くする。

これにより、熱発生率が所定の値に上昇したときのクランク角を第１所定範囲内に良好に収束させることができる。

ＥＣＵ１００（動弁機構制御手段）は、
圧力センサ１８で検出された燃焼圧力に基づいて自着火の有無を判断し、
自着火していないと判断したときは、負のオーバーラップ期間を長くする。

これにより、前燃焼サイクルよりも、シリンダ内に残留する内部ＥＧＲガスが増加して燃焼室１７内の混合気の温度が高くなり、混合気が自着火しやすくなる。

本実施形態において、
ＥＣＵ１００（点火制御手段）は、
熱発生率が最大となったときのクランク角が第２所定範囲ΔＣｂに収束するように、点火プラグ３１の点火時期を制御する。

これにより、熱発生率が最大となる時期を一定の時期内に収束させることができる。そのため、燃焼が適切に行われ、熱効率が一層向上する。

本実施形態において、
ＥＣＵ１００（点火制御手段）は、
熱発生率が最大となったときのクランク角が第２所定範囲ΔＣｂに対して進角側にあるときは、点火プラグ３１の点火時期を遅角し、
熱発生率が最大となったときのクランク角が第２所定範囲ΔＣｂよりも遅角側にあるときは、点火プラグ３１の点火時期を進角する。

これにより、熱発生率が最大となるクランク角を第２所定範囲ΔＣｂに良好に収束させることができる。

本実施形態において、
第１所定範囲ΔＣａは、圧縮上死点に対して第１所定クランク角進角側に設けられている。
第２所定範囲ΔＣｂは、圧縮上死点の近傍かつ遅角側に設けられ、
第１所定クランク角は、他のクランク角よりも、熱発生率が最大となるときのクランク角が第２所定範囲ΔＣｂに入る可能性が高いクランク角である。

これにより、自着火による燃焼開始後、その燃焼による熱発生率最大となる時期を圧縮上死点に対して圧縮上死点の近傍かつ遅角側に収束させることができる。

本実施形態において、
燃焼室１７内の混合気の燃焼状態を示すパラメータ値は、燃焼室１７内のガスの圧力である。

これにより、燃焼室１７内の混合気の燃焼状態を反映する燃焼室１７内のガスの圧力に基づいて熱発生率を精度よく求めることができる。

本実施形態において、
エンジン１は、
エンジン１の負荷を検出するアクセルペダルモジュール８０（負荷検出手段）をさらに備える。
ＥＣＵ１００は、エンジン負荷がＳＩ＋ＮＶＯ領域（所定の低負荷領域）にある場合、動弁機構７０を負のオーバーラップ期間が生成されるように制御する。

これにより、エンジン負荷に応じてエンジン１の運転状態（燃焼状態）を制御することができる。

４−２．エンジン負荷（トルク）に基づくＳＩモードとＳＩ＋ＮＶＯモードとの切替についてのまとめ
本実施形態のエンジン１（内燃機関）のＥＣＵ１００（制御装置）は、燃焼室１７内の混合気に点火プラグ３１により点火する火花点火式の内燃機関の制御装置である。
エンジン１は、
吸気バルブ１５と、排気バルブ１６と、吸気バルブ１５及び排気バルブ１６を開閉するとともに、吸気バルブ１５と排気バルブ１６とのうち少なくとも排気バルブ１６の開弁時期を変更可能なように構成された動弁機構７０とを備える。
ＥＣＵ１００は、
動弁機構７０の動作を制御する動弁機構制御手段と、
点火プラグ３１の点火時期を制御する点火制御手段と、を備える。
ＥＣＵ１００（動弁機構制御手段）は、負荷が所定の低負荷領域にあるときに、圧縮行程において燃焼室１７内の混合気に自着火が生じるように、動弁機構７０に、排気行程ないし吸気行程において吸気バルブ１５及び排気バルブ１６の両方が閉じられる負のオーバーラップ期間を生成させる。
ＥＣＵ１００（点火制御手段）は、自着火が生じる時期よりも後の所定の時期に点火プラグ３１を点火させる。

これにより、火花点火式のエンジンにおいて、負荷が所定の低負荷領域にあるときに、火花点火式のエンジンにおいて、排気行程ないし吸気行程において吸気バルブ１５及び排気バルブ１６の両方が閉じられる負のオーバーラップ期間が生成され、圧縮行程において燃焼室１７内の混合気に自着火が生じ、その後、各燃焼サイクルにおいて点火プラグ３１が点火される。本発明者の知見によれば、前述の実験及びシミュレーション結果に基づいて説明したように、負荷が所定の低負荷領域にあるときに、負のオーバーラップ状態として自着火を生じさせ、その後点火プラグにより点火することにより、混合気をリーン状態とした場合でも、燃焼を安定させて、熱効率を向上させることができる。

本実施形態において、
エンジン１は、
燃焼室１７内の混合気の燃焼状態を示す燃焼圧力（パラメータ値）に基づいて熱発生率を求めるＥＣＵ１００（熱発生率推定手段）をさらに備える。
ＥＣＵ１００（動弁機構制御手段）は、熱発生率が自着火による燃焼が所定の燃焼状態に達したことを示す所定の値に上昇したときのクランク角が第１所定範囲ΔＣａに収束するように、動弁機構７０の負のオーバーラップ期間を制御する。

これにより、混合気をリーン状態とした場合でも、より一層、燃焼を安定させて、熱効率を向上させることができる。

４−３．４−１、４−２に対応するエンジンの制御方法、制御プログラム、及びエンジンシステム
上述したように、本実施形態は、本発明の内燃機関の制御方法としての、エンジン１（内燃機関）の制御方法を開示している。その場合において、本発明の内燃機関の制御装置の動弁機構制御手段、熱発生率推定手段、及び点火制御手段によりなされる各動作（工程）が、本発明の内燃機関の制御方法の動弁機構制御工程、熱発生率推定工程、及び点火制御工程に対応する。また、本実施形態は、本発明のプログラムとしての、ＥＣＵ１００（コンピュータ）をエンジン１（内燃機関）の制御装置として機能させる制御プログラムを開示している。また、本実施形態は、本発明の内燃機関システムとしての、燃焼室１７内の混合気に点火プラグ３１により点火する火花点火式のエンジン１（内燃機関）と、エンジン１を制御するＥＣＵ１００（制御装置）とを有する内燃機関システムを開示している。

（実施形態２）
実施形態２のエンジンは、さらにイオン電流センサを有している。そして、ＥＣＵ１００は、イオン電流センサで検出されたイオン電流の電流値を示す信号を入力し、入力したイオン電流の電流値に基づいて、図１３のステップＳ１６における自着火の時期が適正か否かの判断を行う。まず、図１４を参照して、イオン電流センサの構成について説明する。

図１４は、イオン電流センサの構成を示す図である。イオン電流センサは、前述した点火プラグ３１と、点火コイル３２と、イグナイタ３３と、イオン電流検出部１０２とを含んで構成される。

点火プラグ３１は、一対の電極を有し、点火コイル３２により所定の電圧が印加されたときに上記一対の電極のギャップ間で放電する。

点火コイル３２は、一次コイルＬ１、二次コイルＬ２、及び鉄心等を有し、一次コイルＬ１に流れる電流が変動すると、当該電流の変動に応じて二次コイルＬ２から誘導電圧を発生させる。点火コイル３２は、絶縁樹脂によってパッケージされ、点火プラグ３１の端子部に接続して装着される。一次コイルＬ１には車載バッテリ３４の電圧ＶＢが印加されている。二次コイルＬ２は、点火プラグ３１へ電気的に接続され、一次コイルＬ１の通過電流の変動に応じて点火プラグ３１へ誘導電圧を出力する。

イグナイタ３３は、スイッチング素子Ｔｒと、コントローラＣＮＴ（制御ＩＣ）とを有する。スイッチング素子Ｔｒは、点火コイル３２の一次コイルＬ１の出力端とグランドとの間に設けられ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のパワートランジスタにより構成される。コントローラＣＮＴは、ＥＣＵ１００からの点火信号に基づいてスイッチング素子ＴｒのＯＮ／ＯＦＦを制御する。これにより、ＥＣＵ１００からの点火信号に応じて、点火コイル３２の一次コイルＬ１の通電状態を制御することができる。

イオン電流検出部１０２は、燃焼時に燃焼室１７内に発生するイオン電流を検出する。イオン電流検出部１０２はＥＣＵ１００に内蔵される。なお、イオン電流検出部１０２はイグナイタ３３等に内蔵されてもよい。イオン電流検出部１０２は、さらに、ツェナーダイオードＺＤ、ダイオードＤ１，Ｄ２、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、オペアンプＡＭＰを有し、点火プラグ３１のギャップ間に流れるイオン電流Ｉ２をオペアンプＡＭＰで増幅し、イオン電流Ｉ２の電流値に比例する電圧値に変換して出力する（以下、検出信号Ｓｉｏｎと呼ぶ）。検出信号Ｓｉｏｎは、ＥＣＵ１００のＡＤ変換入力端子に入力される。

ＥＣＵ１００から点火信号ＳＧが出力されると、点火プラグ３１のギャップで放電が発生し、点火プラグ３１→二次コイルＬ２→コンデンサＣ１→ダイオードＤ１という経路で放電電流Ｉ１が流れる。このとき、コンデンサＣ１に、イオン電流検出のための電力がチャージされる。その後、燃焼による化学反応が進行すると、回路内に、抵抗Ｒ２→抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→二次コイルＬ２→点火プラグ３１という経路でイオン電流Ｉ２が流れる。このイオン電流Ｉ２は、混合気の燃焼状態により変化する。そのため、イオン電流Ｉ２を検出することにより、混合気の燃焼状態を推定（検知）することができる。

本実施形態では、ＥＣＵ１００は、各燃焼サイクルのステップＳ１５において、上記のようなイオン電流検出部１０２で検出されたイオン電流値に基づいて、自着火による燃焼が所定の状態に達したことを検知し、ステップＳ１５においてそのときのクランク角が適正か否かを判断する。ＥＣＵ１００は、イオン電流検出部１０２で検出されたイオン電流Ｉ２に基づいて、イオン電流Ｉ２の積算値比Ｒｓを求める。ＥＣＵ１００は、当該積算値比Ｒｓが割合値ＲＡＴＥｔｈの１０％を超したときのクランク角が圧縮ＴＤＣ（３６０°ＣＡ）に対して１０〜１５°ＣＡ前の３４５〜３５０°ＣＡの範囲内にあるか否かを判断し、３４５〜３５０°ＣＡの範囲内にあるときは、自着火の時期が適正であると判断し、３４５〜３５０°ＣＡの範囲内にないときは、自着火の時期が適正でないと判断する。なお、積算値比Ｒｓが割合値ＲＡＴＥｔｈの１０％を超したときのクランク角は、例えば以下のように求める。すなわち、標準的なイオン電流波形が示す値を時間で積分して得られた総積算値Ｓｗを予め記憶しておくとともに、各燃焼サイクルにおいて検知されたイオン電流を時間で積分し、この積分値の総積算値Ｓｗに対する割当が１０％となったときに、そのときのクランク角を取得する。なお、ＲＡＴＥｔｈ（１０％）の具体的な算出方法は、本出願人の出願に係る特開２０１２−１３２３４４号公報において開示されている。

以上のように、本実施形態において、
燃焼状態検出手段は、燃焼室１７内のイオン電流Ｉ２の電流値を検出するイオン電流センサである。

これにより、燃焼室１７内の混合気の燃焼状態を反映する燃焼室１７内のイオン電流Ｉ２の電流値に基づいて熱発生率を精度よく求めることができる。

（実施形態３）
前記実施形態１、２では、自着火していない場合（Ｓ１５でＮｏのとき）、及び自着火の時期が適正な時期よりも遅い場合（Ｓ２３でＮｏのとき）、ＥＣＵ１００は、ＮＶＯ期間が長くなるように、排気側動弁機構７２を制御する（Ｓ２５）。しかし、吸気通路内に吸入された新気の温度が低い場合は、ＮＶＯ期間を最大限に長くした場合でも、自着火しない、あるいは自着火の時期が適正な時期にならない可能性がある。これに対処するため、本実施形態では以下の構成を採用する。

図１５は、実施形態３に係るエンジンシステムの構成を示す図である。図１６は、実施形態３のエンジン制御装置（ＥＣＵ１００）による制御の流れを示すフローチャートである。本実施形態では、実施形態１の構成に加えてさらに、吸気通路４０を流れる新気を暖めるヒータ８１を設けている。ヒータ８１は、例えばセラミックヒータであり、吸気通路４０の近傍に配置される。なお、本発明において、ヒータは、通路を流れる新気を暖めることができるものであれば、セラミックヒータでなくどのようなヒータでもよい。

ＥＣＵ１００（ヒータ制御手段）は、自着火していない場合（Ｓ１５でＮｏのとき）、あるいは自着火の時期が適正な時期よりも遅い場合（Ｓ２３でＮｏのとき）、現在のＮＶＯ期間が、設定可能な最長期間と等しいか否かを判断する（Ｓ３１）。そして、現在のＮＶＯ期間が、設定可能な最長期間と等しい場合（Ｓ３１でＹｅｓのとき）、ＥＣＵ１００は、ヒータ８１に通電する。これにより、吸気通路４０内に吸入された新気がヒータ８１により暖められる。そのため、自着火していなかった場合は、自着火しやすくなり、自着火の時期が遅かった場合は、自着火の時期が進角することとなる。このように本実施形態によれば、自着火させ、あるいは自着火の時期を適切な時期に制御することが可能となる。
（実施形態４）
前記実施形態１、２では、熱発生率最大時期が適正な時期よりも遅い場合（Ｓ２６でＮｏのとき）、ＥＣＵ１００は、当該サイクルにおける点火時期を前燃焼サイクルにおける点火時期よりも進角させる（Ｓ２８）。しかし、点火時期を最大限に進角した場合でも、熱発生率最大時期が適正な時期にならない可能性がある。つまり、火炎伝播速度が適切な速度にまで速くならない可能性がある。これに対処するため、本実施形態では以下の構成を採用する。

図１７は、実施形態４に係るエンジンの点火系の構成を示す図である。図１８は、実施形態４のエンジン制御装置（ＥＣＵ１００）による制御の流れを示すフローチャートである。本実施形態では、車載バッテリ３４と点火コイル３２との間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ９１（昇圧手段）が備えられ、ＥＣＵ１００からの制御信号ＳＤに基づいて車載バッテリ３４の出力電圧を昇圧して点火コイル３２に供給可能に構成されている。

ＥＣＵ１００は、熱発生率最大時期が適正な時期よりも遅い場合（Ｓ２６でＮｏのとき）、現在の点火時期が最も進角した時期か否かを判断する。そして、現在の点火時期が最大限に進角させた時期である場合、ＥＣＵ１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９１に、その出力電圧を上昇させる制御信号ＳＤを出力する。これにより、点火プラグ３１から出力される火花電圧（エネルギー）が高くなる。これにより、燃焼室１７内の混合気に与えられる燃焼エネルギーが増加し、火炎の伝播が速くなる。つまり、火炎伝播速度が適切な速度にまで速くし、熱発生率最大時期を適正な時期とすることが可能となる。

（他の実施形態）
前記各実施形態では、動弁機構７０は、吸気バルブ１５と排気バルブ１６とのうち排気バルブ１６の開弁時期を変更することにより負のオーバーラップ期間を変更する。しかし、動弁機構７０は、吸気バルブ１５と排気バルブ１６との両方のバルブの開弁時期を変更することにより負のオーバーラップ状態を変更するものであってもよい。

本発明は、燃焼室内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火式の内燃機関の制御装置、制御方法、及び制御プログラム、並びに内燃機関システムにおいて広く利用可能である。

１ エンジン（内燃機関）
１０ エンジン本体
１２ ピストン
１３ ピストンロッド
１４ クランクシャフト
１５ 吸気バルブ
１６ 排気バルブ
１７ 燃焼室
１８ 圧力センサ
１９ クランクポジションセンサ
２０ 燃料供給系
２１ インジェクタ
２２ 燃料ポンプ
２３ 燃料タンク
３０ 点火系
３１ 点火プラグ
３２ 点火コイル
３３ イグナイタ
３４ 車載バッテリ
４０ 吸気通路
４１ エアクリーナ
４２ 吸気流量センサ
４３ スロットルバルブ
５０ 排気通路
６０ 排気還流通路
６１ 排気還流バルブ
７０ 動弁機構
７１ 吸気側動弁機構
７２ 排気側動弁機構
８０ アクセルペダルモジュール
８１ ヒータ
９１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１００ ＥＣＵ（制御装置）
１０２ イオン電流検出部
ＺＤ ツェナーダイオード
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
Ｃ１ コンデンサ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 抵抗
ＡＭＰ オペアンプ
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
ＣＮＴ コントローラ
Ｔｒ スイッチング素子
Ｉ１ 放電電流
Ｉ２ イオン電流

Claims (5)

1. 燃焼室内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火式の内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関は、
   吸気バルブと、排気バルブと、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを開閉するとともに、前記吸気バルブと前記排気バルブとのうち少なくとも前記排気バルブの開弁時期を変更可能なように構成された動弁機構とを備え、
   前記制御装置は、
   前記動弁機構の動作を制御する動弁機構制御手段と、
   前記点火プラグの点火時期を制御する点火制御手段と、を備え、
   前記動弁機構制御手段は、前記内燃機関の負荷が所定の低負荷領域にあるときに、圧縮行程において燃焼室内の混合気に自着火が生じるように、前記動弁機構に、排気行程ないし吸気行程において前記吸気バルブ及び前記排気バルブの両方が閉じられる負のオーバーラップ状態を生成させ、
   前記点火制御手段は、前記自着火が生じる時期よりも後の所定の時期に前記点火プラグを点火させる、
   内燃機関の制御装置。
2. 前記燃焼室内の混合気の燃焼状態を示すパラメータ値に基づいて熱発生率を求める熱発生率推定手段をさらに備え、
   前記動弁機構制御手段は、前記熱発生率が自着火による燃焼が所定の状態に達したことを示す所定の値に上昇したときのクランク角が第１所定範囲に収束するように、前記動弁機構の前記負のオーバーラップ期間の長さを制御する、
   請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 燃焼室内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火式の内燃機関の制御方法であって、
   前記内燃機関は、
   吸気バルブと、排気バルブと、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを開閉するとともに、前記吸気バルブと前記排気バルブとのうち少なくとも前記排気バルブの開弁時期を変更可能なように構成された動弁機構とを備え、
   前記制御方法は、
   前記動弁機構の動作を制御する動弁機構制御工程と、
   前記点火プラグの点火時期を制御する点火制御工程と、を含み、
   前記動弁機構制御工程において、前記内燃機関の負荷が所定の低負荷領域にあるときに、圧縮行程において燃焼室内の混合気に自着火が生じるように、前記動弁機構に、排気行程ないし吸気行程において前記吸気バルブ及び前記排気バルブの両方が閉じられる負のオーバーラップ状態を生成させ、
   前記点火制御工程において、前記自着火が生じる時期よりも後の所定の時期に前記点火プラグを点火させる、
   内燃機関の制御方法。
4. コンピュータを、請求項１に記載の内燃機関の制御装置として機能させる内燃機関の制御プログラム。
5. 燃焼室内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火式の内燃機関と前記内燃機関を制御する制御装置とを有する内燃機関システムであって、
   前記内燃機関は、
   吸気バルブと、排気バルブと、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを開閉するとともに、前記吸気バルブと前記排気バルブとのうち少なくとも前記排気バルブの開弁時期を変更可能なように構成された動弁機構とを備え、
   前記制御装置は、
   前記動弁機構の動作を制御する動弁機構制御手段と、
   前記点火プラグの点火時期を制御する点火制御手段と、を備え、
   前記動弁機構制御手段は、前記内燃機関の負荷が所定の低負荷領域にあるときに、圧縮行程において燃焼室内の混合気に自着火が生じるように、前記動弁機構に、排気行程ないし吸気行程において前記吸気バルブ及び前記排気バルブの両方が閉じられる負のオーバーラップ状態を生成させ、
   前記点火制御手段は、前記自着火が生じる時期よりも後の所定の時期に前記点火プラグを点火させる、
   内燃機関システム。

Images