JP6001920B2

JP6001920B2 - エンジンの燃焼制御装置

Info

Publication number: JP6001920B2
Application number: JP2012116683A
Authority: JP
Inventors: 浩司大岩; 石田　礼; 礼石田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: JP2013241917A

Description

本発明は、筒内空気の一部を排気系に流出させて空燃比リッチ状態で燃焼させ、排気ガスは排気系に流出した空気と混合させることで触媒の浄化能力に対応した空燃比とするエンジンの燃焼制御装置に関する。

従来、エンジン始動後のファストアイドルでは、排気対策の観点から空燃比のリーン化と点火時期の遅角化が行われている。これは、空燃比をリーンにすることで排気ガス中のＨＣ（炭化水素）の排出量が抑制され、点火時期を遅角化させることで排気温度の上昇による触媒の早期活性化を実現することができるためである。

しかし、ファストアイドルにおける空燃比のリーン化、及び点火時期の遅角化は燃焼の不安定化を招き、未燃料ガスの排出を助長してしまうため、リーン限界を超えない空燃比制御が要求される。

又、最近の小排気量車、ハイブリッド車、ＣＶＴ車等の車両では、燃費を向上させるために低回転高負荷運転領域が多用される傾向にある。又、低回転高負荷運転や最大負荷運転（ＷＯＴ：Wide Open Throttle）ではノックが発生し易くなり、ノック発生時には点火時期を遅角させてノックを回避させる制御が行われるが、点火時期を遅角させるとトルク低下を招くことになる。

ファストアイドル時における燃焼の安定化を実現し、しかも、高負荷運転時のノック発生を有効に回避させる手段として、例えば特許文献１（特開２００９−２９３４２４号公報）に開示されている技術を利用することが考えられる。この文献には、圧縮行程中に吸気弁或いは排気弁を一時的に開弁させて、気筒内の空気量の一部を吸気系或いは排気系に排出させる技術が開示されている。

この技術を燃焼制御に適用すれば、吸気行程時に筒内に吸入される空気（以下、「筒内空気」と称する）の一部を吸気系或いは排気系へ流出させることで、実効圧縮比が低下されるため、結果として、点火時期を遅角させることなくノックを有効に回避させることができる。

特開２００９−２９３４２４号公報

上述した文献に開示されている技術では、吸気弁と排気弁との双方が閉弁している状態で燃料が噴射されるため、気筒内に供給される燃料が吸気系或いは排気系に流出せず、従って、例えば排気弁を開弁させることで気筒内の空気の一部を排気系に排出させた場合、筒内の空燃比に対し、排気系の空燃比は流出した空気量の分だけリーンになる。

しかし、上述した文献には、気筒内の空燃比と排気系を流れる排気ガスの空燃比との関係が明確に記載されておらず、触媒を通過する排気ガスの空燃比リーン状態が継続された場合、酸素過多となり触媒浄化能力を充分に発揮させることができなくなる不都合がある。

本発明は、上記事情に鑑み、触媒に流入する排気ガスの空燃比を適正に制御することができると共に、ファストアイドル時の燃焼の安定化を実現し、更に、低回転高負荷運転や最大負荷運転でのノックの発生を有効に回避することのできるエンジンの燃焼制御装置を提供することを目的とする。

本発明による第１のエンジンの燃焼制御装置は、燃焼室と排気系との間を開閉させる空気排出弁と、前記空気排出弁を開閉動作させる排出弁駆動手段と、前記燃焼室内に燃料噴射する燃料噴射手段と、排気系に配設されている触媒と、前記排出弁駆動手段と前記燃料噴射手段とを動作させる制御手段とを備え、前記制御手段は、前記触媒の浄化能力に対応した空燃比となる燃料噴射量を設定する燃料噴射設定手段と、前記燃焼室内での燃焼により最大トルクを発揮することのできる筒内目標空燃比を求める筒内目標空燃比設定手段と、前記燃料噴射設定手段で算出した前記燃料噴射量と筒内目標空燃比設定手段で設定した前記筒内目標空燃比とに基づき、該筒内目標空燃比とするための要求排出空気量を設定する要求排出空気量設定手段と、前記要求排出空気量設定手段で設定した要求排出空気量に対応する駆動信号を前記排出弁駆動手段に出力して前記空気排出弁を所定タイミングで開弁動作させると共に、前記排出弁を閉弁させた後に前記燃料噴射設定手段で設定した前記燃料噴射量に対応する駆動信号を前記燃料噴射手段に出力する駆動制御手段と、エンジン運転状態が設定されている運転領域をファストアイドル領域と低負荷ノック領域と最大負荷領域と通常制御領域との何れかを判定する運転領域判定手段とを備え、前記駆動制御手段は、前記運転領域判定手段が運転領域を前記ファストアイドル領域或いは前記低負荷ノック領域と判定した場合は前記排出弁の開弁タイミングを圧縮行程下死点を基準に設定し、前記最大負荷領域と判定した場合は前記排出弁の開弁タイミングを吸気行程上死点を基準に設定する。
本発明による第２のエンジンの燃焼制御装置は、燃焼室と排気系との間を開閉させる空気排出弁と、前記空気排出弁を開閉動作させる排出弁駆動手段と、前記燃焼室内に燃料噴射する燃料噴射手段と、排気系に配設されている触媒と、前記排出弁駆動手段と前記燃料噴射手段とを動作させる制御手段とを備え、前記制御手段は、前記触媒の浄化能力に対応した空燃比となる燃料噴射量を設定する燃料噴射設定手段と、前記燃焼室内での燃焼により最大トルクを発揮することのできる筒内目標空燃比を求める筒内目標空燃比設定手段と、前記燃料噴射設定手段で算出した前記燃料噴射量と筒内目標空燃比設定手段で設定した前記筒内目標空燃比とに基づき、該筒内目標空燃比とするための要求排出空気量を設定する要求排出空気量設定手段と、前記要求排出空気量設定手段で設定した要求排出空気量に対応する駆動信号を前記排出弁駆動手段に出力して前記空気排出弁を所定タイミングで開弁動作させると共に、前記排出弁を閉弁させた後に前記燃料噴射設定手段で設定した前記燃料噴射量に対応する駆動信号を前記燃料噴射手段に出力する駆動制御手段と、エンジン運転状態が設定されている運転領域をファストアイドル領域と低負荷ノック領域と最大負荷領域と通常制御領域との何れかを判定する運転領域判定手段とを備え、前記駆動制御手段は、前記運転領域判定手段が運転領域を前記低負荷ノック領域と判定した場合は前記排出弁の開弁タイミングを圧縮行程下死点を基準に設定し、前記最大負荷領域、或いは、前記ファストアイドル領域において排気脈動により発生する負圧波が吸気行程における筒内圧力よりも低いと判定した場合は前記排出弁の開弁タイミングを吸気行程上死点を基準に設定する。

本発明によれば、触媒の浄化能力に対応した空燃比となる燃料噴射量と燃焼室内での燃焼により最大トルクを発揮することのできる筒内目標空燃比とに基づき、筒内目標空燃比とするための要求排出空気量を設定し、要求排出空気量に対応する空気量を排気系に排出させると共に、燃料噴射を空気の排出が終了した後に設定するようにしたので、筒内空気の一部を排気系に排出させる際に燃料が排気系に吹き抜けることがなく、相対的に筒内空燃比をリッチにすることができ、ファストアイドル時は燃焼が安定し、低回転高負荷運転や最大負荷運転でのノックの発生を有効に回避することができる。更に、排出空気は排気系に排出されているため燃焼ガスと混合することで、適正な空燃比となり良好な排気ガス浄化性能を得ることができる。

第１実施形態によるエンジンの概略構成図同、排気カム構造の概略図同、エンジン制御系の概略構成図同、（ａ）は運転領域判定マップの説明図、（ｂ）は目標アイドル回転数テーブルの説明図同、要求空気排出量とエンジントルク、当量比、筒内空気量との関係を示す特性図同、待機制御時の補助カムによる排気弁の開弁タイミングと燃料噴射タイミングとの関係を示す説明図同、ファストアイドル制御、部分負荷ノック制御時の補助カムによる排気弁の開弁タイミングを示す説明図同、ＷＯＴ制御時の補助カムによる排気弁の開弁タイミングと燃料噴射タイミングとの関係を示す説明図同、補助カムによる排気弁開弁タイミング設定ルーチンを示すフローチャート同、大気制御サブルーチンを示すフローチャート同、ファストアイドル制御サブルーチンを示すフローチャート同、部分負荷ノック制御サブルーチンを示すフローチャート同、ＷＯＴ制御サブルーチンを示すフローチャート第２実施形態によるエンジンの概略構成図

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１〜図１３に本発明の第１実施形態を示す。図１の符号１はエンジン本体、２はピストン、３は燃焼室、４は吸気ポート、５は排気ポート、６は吸気弁、７は排気弁であり、吸気ポート４に連通する吸気通路８にスロットル弁９が介装され、この吸気通路８の上流にエアクリーナ１０が配設されている。又、燃焼室３の頂面中央に、燃料噴射手段としての筒内直噴用インジェクタ１１の噴孔が臨まされ、この燃焼室３の一側に点火プラグ１２の発火部が臨まされている。又、排気ポート５には排気通路１３が連通されてマフラ(図示せず)に連通されている。更に、排気通路１３には排気ガスを浄化処理する触媒１４が介装されている。

又、吸気弁６と排気弁７とが吸気カム１５と排気カム１６とによって所定タイミングで開閉動作される。この吸気カム１５と排気カム１６とが、吸気カム軸１７と排気カム軸１８とにそれぞれ軸着されており、吸気弁６と排気弁７とが、エンジンの回転に対して１／２の回転で開閉動作される。

この排気カム軸１８に、可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構１９が配設されている。図２に示すように、このＶＶＴ機構１９には排気カム軸１８に対して同軸上に延出するＶＶＴ軸１９ａが設けられており、このＶＶＴ軸１９ａに排出弁駆動手段としての補助カム２０が軸着されている。又、この補助カム２０は排気カム１６に隣接して配設されており、排気弁７のタペット７ａに、排気カム１６と共に摺接されている。

ＶＶＴ機構１９は、油圧ソレノイド（或いは電磁ソレノイド）等のＶＶＴアクチュエータ２１から供給される作動圧（或いは作動信号）等により、補助カム２０の回転位相を変化させるもので、補助カム２０の回転位相が変化すると、この補助カム２０によって開閉動作される排気弁７の開タイミングが可変制御される。図６〜図８に補助カム２０による排気弁７の開弁タイミングを示す。

すなわち、補助カム２０を進角させて、この補助カム２０のカム山を排気カム１６のカム山内まで移動させると、補助カム２０が空転状態となる。又、図７に示すように補助カム２０を圧縮行程側へ進角させると、排気弁７が圧縮行程初期に開弁される。更に、図８に示すように補助カム２０を吸気行程側へ移動させると、排気弁７が吸気行程初期に開弁される。

圧縮行程初期に排気弁７が開弁されると、筒内に吸入された空気量の一部がピストン２の押圧力で排気系に排出される。又、吸気行程初期に排気弁７が開弁されると、筒内に吸入された空気量の一部が排気系の脈動を使用して排気系に排出される。従って、本実施形態では、補助カム２０によって開弁する排気弁７が空気排出弁となる。

圧縮行程初期に排気弁７を開弁した場合、ピストン２の押圧力で空気を排気系へ確実に排出させることができるが、混合気の吹き抜けを防止しようとした場合、噴射タイミングは、排気弁７が閉じた後に設定しなければならないので、運転領域によっては筒内で充分に気液混合させることができない場合が生じる。

一方、吸気行程初期に排気弁７を開弁させれば、噴射タイミングの早期化が可能となり、充分に気液混合させることができる。しかし、筒内の空気を排気系に排出させるためには、排気系に発生する脈動圧（排気脈動圧）が筒内の圧力よりも低く無ければならないので、運転領域が限定される。そのため、本実施形態では、運転領域毎に補助カムの位相角を設定し、最適な空気の排出形態を選択するようにしている（詳細については後述する）。

尚、図１の符号２２はエアクリーナ１０の直下流に配設されて、吸入空気量Ｑを計測する吸入空気量センサ、２３は冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ、２４は触媒１４の直上流に配設されて排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する空燃比検出手段としての空燃比センサである。

各センサで検出した信号は制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）２６に入力される。ＥＣＵ２６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを中心として構成されており、ＣＰＵに予め記憶されている制御プログラムに従い、筒内直噴用インジェクタ１１を駆動するインジェクタ駆動回路２７、及びＶＶＴアクチュエータ２１に対して駆動信号を出力する。尚、ＥＣＵ２６の入力側には上述した各センサ類以外に、エンジン回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数センサ２５が接続されている。

ＥＣＵ２６は、図４（ａ）に示すように、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷の代用である吸入空気量Ｑとに基づき、運転領域判定マップを参照して、ノックの発生する可能性の低い待機制御領域Ｉ、部分負荷運転であってもノックの発生する可能性の高い部分負荷ノック領域II、及び最大負荷（ＷＯＴ）領域IIIを特定する。又、エンジン始動直後においては、同図（ｂ）に示すように、冷却水温Ｔｗに基づき、エンジン温度（冷却水温Ｔｗ）ファストアイドル領域IVにあるか否かを調べる。尚、低回転高負荷運転は部分負荷ノック領域IIに含まれており、更に、ＷＯＴ領域IIIの低回転側は低回転高負荷運転となる。

そして、ＥＣＵ２６は、各運転領域に応じて補助カム２０の位相を制御し、排気弁７の開弁タイミングを可変させて、筒内の空燃比が目標空燃比となるように、排気系に排出される空気量（以下、「排出空気量」と称する）を調整する。

このＥＣＵ２６で実行される補助カムの位相制御は、具体的には、図９に示す補助カム位相制御ルーチンに従って処理される。

このルーチンは、エンジン始動後、設定演算周期毎に実行され、先ず、ステップＳ１で、吸入空気量センサ２２で検出した吸入空気量Ｑ、エンジン回転数センサ２５で検出したエンジン回転数Ｎｅ、水温センサ２３で検出した冷却水温Ｔｗを読込む。

次いで、ステップＳ２へ進み、冷却水温Ｔｗと予め設定されているファストアイドル判定水温Ｔｏとを比較する。図４（ｂ）に示すように、ファストアイドル判定水温Ｔｏは暖機完了温度であり、このファストアイドル判定水温Ｔｏ未満の水温領域がファストアイドル領域IVに設定されている。

そして、Ｔｗ≧Ｔｏの場合、ファストアイドル制御が終了していると判定し、ステップＳ３へ進む。一方、Ｔｗ＜Ｔｏの場合、冷態始動後の暖機運転であるファストアイドル中と判定し、ステップＳ４へ分岐し、ファストアイドル制御を実行して、ステップＳ９へ進む。尚、ステップＳ４で実行されるファストアイドル制御については後述する。

又、ステップＳ３へ進むと、吸入空気量Ｑとエンジン回転数Ｎｅとに基づき、運転領域判定マップを補間計算付で参照して運転領域を設定し、ステップＳ５へ進む。図４（ａ）に運転領域判定マップの概念を示す。同図に示すように、運転領域は、スロットル弁９がほぼ全開のＷＯＴ領域IIIと、部分負荷であってもノックの発生し易い部分負荷ノック領域II、ノックの発生する可能性の低い通常制御領域である待機領域Ｉに区分されている。尚、図中のＮIDLは暖機完了後に設定されるアイドル回転数である。

その後、ステップＳ５へ進み、現在の運転領域を判定する。そして、待機領域Ｉと判定された場合は、ステップＳ６へ進み、待機制御を実行して、ステップＳ９へ進む。部分負荷ノック領域IIと判定された場合は、ステップＳ７へ進み、部分負荷ノック制御を実行して、ステップＳ９へ進む。又、ＷＯＴ領域IIIと判定された場合は、ステップＳ８へ進み、ＷＯＴ制御を実行して、ステップＳ９へ進む。この各運転領域の制御については後述する。尚、上述したステップＳ３，Ｓ４での処理が本発明の運転領域判定手段に対応している。

そして、ステップＳ９へ進み、燃料噴射制御を実行してルーチンを抜ける。ステップＳ９では、ステップＳ６の待機制御を実行した後の処理では、通常の空燃比フィードバック制御を実行して、予め設定された空燃比に対応する燃料噴射量を所定のタイミングで筒内直噴用インジェクタ１１から噴射させる。一方、ステップＳ４，Ｓ７，Ｓ８の何れかで運転領域毎の制御を実行した後の処理では、各ステップＳ４，Ｓ７，Ｓ８で求めた燃料噴射量ＴINJを、補助カム２０による排気弁７の開弁期間が終了した直後を噴射開始タイミングとする噴射信号を出力して燃料を噴射させる。これにより、ステップＳ４，Ｓ７，Ｓ８の何れかで、補助カム２０が排気弁７を開弁させても、燃料が排気系に吹き抜けることはない。

尚、上述したステップＳ９での処理、後述するファストアイドル制御サブルーチンのステップＳ２５〜Ｓ２７での処理、部分負荷ノック制御サブルーチンでのステップＳ３４〜Ｓ３６での処理、ＷＯＴ制御サブルーチンのステップＳ４４〜Ｓ４６での処理が本発明の駆動制御手段に対応している。

（待機制御）
補助カム位相制御ルーチンのステップＳ６で処理する待機制御は、図１０に示す待機制御サブルーチンで実行され、ステップＳ１１で、カム位相角θCを予め設定されている初期待機角θINI[℃A]で設定する（θC←θINI）。尚、この初期待機角θINIが補助カム２０の基準位相角（０[℃A]）に設定されている。

そして、ステップＳ１２へ進み、カム位相角θCに相当する駆動信号をＶＶＴアクチュエータ２１に出力し、ルーチンを抜ける。この初期待機角θINIは、補助カム２０のカム山が、吸気弁６の開弁位置に移動するように設定されている。ＶＶＴ機構１９は、ＥＣＵ２６からの駆動信号に従い、ファストアイドルの補助カム２０を排気弁７の開弁位置とほぼ同一のクランク角まで進角させる。その結果、図６に示すように、補助カム２０のカム山は排気カム１６のカム山内に移動して空転されるため、圧縮比＝膨張比による空燃比フィードバック制御が行われ、吸気行程において噴射対象の気筒に対し、筒内直噴用インジェクタ１１から所定に計量された燃料が噴射される。尚、空燃比フィードバック制御は周知であるため説明を省略する。

又、本実施形態では、排気弁７が空気排出弁を兼用しているため、部品点数の簡素化を実現することができる。

（ファストアイドル制御）
補助カム位相制御ルーチンのステップＳ４で実行されるファストアイドル制御は、図１１に示すファストアイドル制御サブルーチンに従って処理される。このサブルーチンでは、先ず、ステップＳ２１で、冷却水温Ｔｗに基づき目標アイドル回転数ＮIDOを、目標アイドル回転数テーブルを参照して設定する。図４（ｂ）に目標アイドル回転数テーブルの概念を示す。同図に示すように、ファストアイドル領域IVの目標アイドル回転数ＮIDOは、冷却水温Ｔｗが低い程高い目標アイドル回転数ＮIDOに設定されており、ファストアイドル判定水温Ｔｏに達した場合、この目標アイドル回転数ＮIDOは、通常のアイドル回転数ＮIDLに固定される。

そして、ステップＳ２２へ進み、目標アイドル回転数ＮIDOに対応する燃料噴射量ＴINJを設定する。尚、空燃比は触媒１４の排気浄化能力に対応した値であり、本実施形態ではストイキオ或いは、それよりもやや薄い弱リーンに設定されている。又、このステップでの処理が本発明の燃料噴射設定手段に対応している。

その後、ステップＳ２３へ進み、最大トルクとなる筒内目標空燃比λINを、トルクマップを参照して設定する。このステップでの処理が本発明の筒内目標空燃比設定手段に対応している。

図５に筒内空気量と筒内空燃比の逆数に相当する筒内当量比１／筒内λと筒内空気量との関係を示す。

筒内空気量と排気系に吹き抜ける排気空気量との和を吸入空気量センサ２２で計測される吸入空気量Ｑとし、これと筒内直噴用インジェクタ１１から噴射される燃料量を一定とした場合、排出空気量を増加させれば、当然筒内空気量が減少するため筒内空燃比はリッチになる。筒内空気量はノックを無視した場合の到達可能トルクとはほぼ比例しており、又、筒内当量比とノック発生のし易さとの関係もほぼ比例関係にある。その結果、排出空気量を徐々に増加させると、エンジントルクは、当初筒内当量比１／筒内λに沿って増加する。これは、空燃比がリッチ化させたことによりノックが発生し難くなり、その分、点火時期をＭＢＴ（Minimmum spark advance for Best Torque)方向へ進角させることができるためである。しかし、その後、更に排出空気量を増加させると筒内の空燃比がオーバリッチとなり、エンジントルクは筒内空気量の減少にほぼ比例して低下する。

ステップＳ２３では、筒内目標空燃比λINをリッチ化することによるトルク増加と、筒内空気量が減少することによるトルク減少との釣り合いから、点火時期の進角により最大トルクを得ることのできる筒内目標空燃比λINをマップ検索、或いは演算等から求める。

そして、ステップＳ２４へ進み、吸入空気量Ｑとエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量ＴINJと筒内目標空燃比λINとに基づき、要求排出空気量ＱOUTを、次式から設定する。尚、このステップでの処理が本発明の要求排出空気量設定手段に対応している。

ＱOUT←Ｑ−ＱM …（１）
ＱM←ＴINJ・Ｎｅ／λIN …（２）
ここで、ＱMは筒内の目標空気量である。

その後、ステップＳ２５へ進み、要求排出空気量ＱOUTに対応する補助カム２０のカム位相角θBDC[℃A(クランク角)]を設定する。本実施形態では、ファストアイドル制御時のカム位相角θBDCを、圧縮行程下死点ＢＤＣを基準に設定している。このカム位相角θBDCを吸気行程上死点側へ遅角させると、排気弁７の開弁期間が一定であっても、ピストン２の上昇に伴う内圧上昇により、単位時間当たりの要求排出空気量ＱOUTが増加するため、この補助カム２０のカム位相角θBDCを設定することで、最適な筒内空気量を得ることができる。尚、カム位相角θBDCを圧縮行程下死点ＢＤＣから吸気行程上死点側へ進角させると、排気弁７が開弁しても、筒内の圧力は未だ上昇していないため、実質的に排気弁７からの要求排出空気量ＱOUTを絞ることができる。

そして、ステップＳ２６へ進み、カム位相角θBDCに基づき、上述した初期待機角θINIを基準角０[℃A]とするカム位相角θCに変換し（θC←f(θBDC)）、ステップＳ２７へ進み、カム位相角θCに相当する駆動信号をＶＶＴアクチュエータ２１に出力し、ルーチンを抜ける。

ＶＶＴ機構１９は、ＥＣＵ２６からの駆動信号に従い、ファストアイドルの補助カム２０の位相を圧縮行程下死点ＢＤＣ付近まで遅角させる。その結果、排気弁７が圧縮行程下死点ＢＤＣ付近で開弁されて要求排出空気量ＱOUTに相当する排出空気量が排気系へ排出される。そして、排気弁７が所定に閉弁された後、筒内直噴用インジェクタ１１から燃料噴射量ＴINJの燃料が噴射され（図７参照）、筒内の混合気が最大トルクを得ることのできる筒内目標空燃比λINに設定される。その結果、ファストアイドル時の点火時期を従来よりも進角させることができ、燃焼の安定化により暖機性能、及び排ガス性能を向上させることができる。

そして、排気行程において筒内の燃焼ガス（排気ガス）が排気系に排出されると、圧縮行程下死点ＢＤＣ付近で排出された排出空気と混合されるため、触媒１４を通過する排気ガスはストイキオ或いは、弱リーンとなり、排気ガスを効率よく浄化させることができる。

（部分負荷ノック制御）
補助カム位相制御ルーチンのステップＳ７で実行される部分負荷ノック制御は、図１２に示す部分負荷ノック制御サブルーチンに従って処理される。

このサブルーチンでは、先ず、ステップＳ３１で、燃料噴射量ＴINJを算出する。この燃料噴射量ＴINJは、吸入空気量Ｑ、エンジン回転数Ｎｅ、冷却水温Ｔｗ、空燃比センサ２４で検出した排気ガス中の空燃比A/F等のパラメータに基づき、周知の空燃比フィードバック制御によって求める。このステップでの処理が本発明の燃料噴射設定手段に対応している。

そして、ステップＳ３２へ進み、最大トルクとなる筒内目標空燃比λINを、上述したファストアイドルと同様、筒内目標空燃比λINをリッチ化することによるトルク増加と筒内空気量が減少することによるトルク減少との釣り合いから、点火時期の進角により最大トルクを得ることのできる筒内目標空燃比λINをトルクマップを参照し、或いは演算等から求める。このステップでの処理が、本発明の筒内目標空燃比設定手段に対応している。

その後、ステップＳ３３へ進み、吸入空気量Ｑとエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量ＴINJと筒内目標空燃比λINとに基づき、要求排出空気量ＱOUTを上述した（１）式から設定する。

その後、ステップＳ３４へ進み、要求排出空気量ＱOUTに対応する補助カム２０のカム位相角θBDC[℃A]を設定する。このカム位相角θBDCは、上述したファストアイドル制御と同様、圧縮行程下死点ＢＤＣを基準に設定される。

そして、ステップＳ３５へ進み、カム位相角θBDCを、初期待機角θINIを基準角０[℃A]とするカム位相角θCに変換し（θC←f(θBDC)）、ステップＳ３６へ進み、カム位相角θCに相当する駆動信号をＶＶＴアクチュエータ２１に出力して、ルーチンを抜ける。

ＶＶＴ機構１９は、ＥＣＵ２６からの駆動信号に従い、部分負荷ノック領域II（図４参照）での補助カム２０の位相を圧縮行程下死点ＢＤＣ付近まで遅角させる。すると、図７に示すように、排気弁７が圧縮行程下死点ＢＤＣ付近で開弁されて要求排出空気量ＱOUTに相当する排出空気量が排気系へ排出される。

そして、排気弁７が所定に閉弁された後、筒内直噴用インジェクタ１１から筒内に、燃料噴射量ＴINJ分の燃料が噴射され、筒内の混合気は最大トルクを得ることのできるリッチな筒内目標空燃比λINに設定される。その結果、ノックの発生が抑制され、相対的に点火時期を進角させることができて、良好なエンジン出力を得ることができる。更に、燃焼の安定化により燃費を向上させることができる。

そして、排気行程において筒内の燃焼ガスが排気系に排出されると、圧縮行程下死点ＢＤＣ付近で排出された排出空気と混合されて、触媒１４を通過する排気ガスは、周知の空燃比フィードバック制御で設定されている目標空燃比となるため、良好に浄化処理される。

（ＷＯＴ制御）
補助カム位相制御ルーチンのステップＳ８で実行されるＷＯＴ制御は、図１３に示すＷＯＴ制御サブルーチンに従って処理される。

このサブルーチンでは、先ず、ステップＳ４１で、上述したステップＳ３１と同様、空燃比フィードバック制御によって燃料噴射量ＴINJを求める。このステップでの処理が、本発明の燃料噴射設定手段に対応している。

その後、ステップＳ４２へ進み、最大トルクとなる筒内目標空燃比λINを、上述したファストアイドルと同様、筒内目標空燃比λINをリッチ化することによるトルク増加と筒内空気量が減少することによるトルク減少との釣り合いから、点火時期の進角により最大トルクを得ることのできる筒内目標空燃比λINをトルクマップを参照し、或いは演算等から求める。このステップでの処理が本発明の筒内目標空燃比設定手段に対応している。

次いで、ステップＳ４３へ進み、吸入空気量Ｑとエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量ＴINJと筒内目標空燃比λINとに基づき、要求排出空気量ＱOUTを上述した（１）式から設定する。

その後、ステップＳ４４へ進み、要求排出空気量ＱOUTに対応する補助カム２０のカム位相角θTDC[℃A]を設定する。このカム位相角θTDCは、吸気行程上死点ＴＤＣを基準に設定される。

次いで、ステップＳ４５へ進み、カム位相角θTDCを、初期待機角θINIを基準角０[℃A]とするカム位相角θCに変換し（θC←f(θTDC)）、ステップＳ４６へ進み、カム位相角θCに相当する駆動信号をＶＶＴアクチュエータ２１に出力し、ルーチンを抜ける。

ＶＶＴ機構１９は、ＥＣＵ２６からの駆動信号に従い、ＷＯＴ領域III（図４参照）での補助カム２０の位相を吸気行程上死点ＴＤＣ付近まで遅角させる。すると、図８に示すように、排気弁７が吸気行程上死点ＴＤＣ付近で開弁される。ＷＯＴ領域IIIでは、排気脈動による負圧波が大きくなる（圧力が低くなる）ため、吸気行程であっても排気弁７を開弁させることで、筒内と排気系との差圧により筒内の空気を排気系に排出させることができる。

又、補助カム２０の位相を吸気行程上死点ＴＤＣから排気行程側へ進角させれば、実質的に吸気行程での補助カム２０による開弁期間が短くなるため、カム位相角θTDCを調整することで排出空気量を調整することができ、筒内の混合気を最大トルクを得ることのできる筒内目標空燃比λINに設定することができる。

更に、本実施形態では、燃料噴射タイミングを補助カム２０による排気弁７の開弁期間が終了した直後に設定しているため、ＷＯＴ領域IIIでは燃料噴射タイミングを吸気行程中に設定することができる。その結果、噴射燃料と空気とを筒内で充分に混合させて均質な混合気を生成することができるため、これにより等容度が向上し、熱効率をより一層向上させることができる。又、燃焼時の空燃比がリッチであるためノックの発生を有効に回避することができる。更に、ノックを有効に回避させることができるため、その分、点火時期を進角させることができ、良好なエンジン出力を得ることができる。

又、排気行程において排出された燃焼ガスは、排気系に排出されている排出空気と混合されるため、周知の空燃比フィードバック制御で設定されている目標空燃比に対応した値となり、触媒１４にて良好に浄化処理される。

尚、上述した実施形態ではファストアイドル領域IVでの補助カム２０による排気弁７の開弁タイミングを圧縮行程下死点ＢＤＣ付近に設定しているが、ファストアイドル時における排気脈動により発生する負圧波が、吸気行程における筒内の圧力より低い場合は、この補助カム２０による開弁タイミングを吸気行程上死点ＴＤＣ側に設定するようにしても良い。

［第２実施形態］
図１４に本発明の第２実施形態を示す。上述した第１実施形態では、排気弁７を補助カム２０で開弁させることで、筒内空気を排気系に排出させるようにしたが、本実施形態では、空気排出弁と排出弁駆動手段との機能が一体化されているアクチュエータ弁を直接開閉制御して、排出空気量を調整するようにしたものである。尚、第１実施形態と同一の構成部分については同一の符号を付して説明を簡略化、或いは省略する。

すなわち、本実施形態では、燃焼室３と、排気マニホルドの集合部と空燃比センサ２４との間の排気通路１３とを空気バイパス通路３１で連通し、この空気バイパス通路３１に電磁式、或いは油圧式によるアクチュエータ弁３２を介装したものであり、このアクチュエータ弁３２の開閉動作を、第１実施形態に示すＥＣＵ２６で制御する。

ＥＣＵ２６で制御するアクチュエータ弁３２の開閉タイミングは、上述の図１１〜図１３に示す各サブルーチンで求めた要求排出空気量ＱOUTに基づき、排気脈動による負圧波を利用可能な場合は、吸気行程でアクチュエータ弁３２を開閉動作させる。又、排気脈動による負圧波が利用できない場合は、圧縮行程で開閉動作させる。

本実施形態では、排出空気量をアクチュエータ弁３２の開閉タイミングで調整するようにしたので、上述した第１実施形態の効果に加え、要求排出空気量ＱOUTに対応する空気量をより正確に排出させることができる。

尚、本発明は、上述した各実施形態に限るものではなく、例えば、運転領域マップのパラメータである吸入空気量Ｑに変えて、単位回転数当たりの吸入空気量（Ｑ／Ｎｅ）をエンジン負荷の代用として用いても良い。

３…燃焼室、
７…排気弁、
８…吸気通路、
１１…筒内直噴用インジェクタ、
１３…排気通路、
１４…触媒、
１９…ＶＶＴ機構、
２０…補助カム、
２１…アクチュエータ、
２４…空燃比センサ、
２６…電子制御ユニット、
２７…インジェクタ駆動回路、
３２…アクチュエータ弁、
ＱOUT…要求排出空気量、
ＴINJ…燃料噴射量、
θBDC,θC,θTDC…カム位相角、
λIN…筒内目標空燃比

Claims

燃焼室と排気系との間を開閉させる空気排出弁と、
前記空気排出弁を開閉動作させる排出弁駆動手段と、
前記燃焼室内に燃料噴射する燃料噴射手段と、
排気系に配設されている触媒と、
前記排出弁駆動手段と前記燃料噴射手段とを動作させる制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記触媒の浄化能力に対応した空燃比となる燃料噴射量を設定する燃料噴射設定手段と、
前記燃焼室内での燃焼により最大トルクを発揮することのできる筒内目標空燃比を求める筒内目標空燃比設定手段と、
前記燃料噴射設定手段で算出した前記燃料噴射量と筒内目標空燃比設定手段で設定した前記筒内目標空燃比とに基づき、該筒内目標空燃比とするための要求排出空気量を設定する要求排出空気量設定手段と、
前記要求排出空気量設定手段で設定した要求排出空気量に対応する駆動信号を前記排出弁駆動手段に出力して前記空気排出弁を所定タイミングで開弁動作させると共に、前記排出弁を閉弁させた後に前記燃料噴射設定手段で設定した前記燃料噴射量に対応する駆動信号を前記燃料噴射手段に出力する駆動制御手段と、
エンジン運転状態が設定されている運転領域をファストアイドル領域と低負荷ノック領域と最大負荷領域と通常制御領域との何れかを判定する運転領域判定手段と
を備え、
前記駆動制御手段は、前記運転領域判定手段が運転領域を前記ファストアイドル領域或いは前記低負荷ノック領域と判定した場合は前記排出弁の開弁タイミングを圧縮行程下死点を基準に設定し、前記最大負荷領域と判定した場合は前記排出弁の開弁タイミングを吸気行程上死点を基準に設定することを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
燃焼室と排気系との間を開閉させる空気排出弁と、
前記空気排出弁を開閉動作させる排出弁駆動手段と、
前記燃焼室内に燃料噴射する燃料噴射手段と、
排気系に配設されている触媒と、
前記排出弁駆動手段と前記燃料噴射手段とを動作させる制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記触媒の浄化能力に対応した空燃比となる燃料噴射量を設定する燃料噴射設定手段と、
前記燃焼室内での燃焼により最大トルクを発揮することのできる筒内目標空燃比を求める筒内目標空燃比設定手段と、
前記燃料噴射設定手段で算出した前記燃料噴射量と筒内目標空燃比設定手段で設定した前記筒内目標空燃比とに基づき、該筒内目標空燃比とするための要求排出空気量を設定する要求排出空気量設定手段と、
前記要求排出空気量設定手段で設定した要求排出空気量に対応する駆動信号を前記排出弁駆動手段に出力して前記空気排出弁を所定タイミングで開弁動作させると共に、前記排出弁を閉弁させた後に前記燃料噴射設定手段で設定した前記燃料噴射量に対応する駆動信号を前記燃料噴射手段に出力する駆動制御手段と、
エンジン運転状態が設定されている運転領域をファストアイドル領域と低負荷ノック領域と最大負荷領域と通常制御領域との何れかを判定する運転領域判定手段と
を備え、
前記駆動制御手段は、前記運転領域判定手段が運転領域を前記低負荷ノック領域と判定した場合は前記排出弁の開弁タイミングを圧縮行程下死点を基準に設定し、前記最大負荷領域、或いは、前記ファストアイドル領域において排気脈動により発生する負圧波が吸気行程における筒内圧力よりも低いと判定した場合は前記排出弁の開弁タイミングを吸気行程上死点を基準に設定することを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。