JP4737103B2 - ガソリンエンジンの制御装置 - Google Patents

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。

一方で、所謂高負荷、高回転の運転領域においては予混合気が例えば圧縮行程中期頃の過早なタイミングで自己着火してしまい（所謂ノッキング）、ＨＣＣＩ燃焼は実現できないので、前記従来例のエンジンでは高負荷ないし高回転側の運転領域においてはＳＩ燃焼を行うようにしている。すなわち、気筒内に略理論空燃比の均一な予混合気を形成し、これに点火して火炎面の伝播により燃焼させる。

ところで、そうして高負荷ないし高回転側でＳＩ燃焼を行うときには、ＨＣＣＩ燃焼のときのように多量の内部ＥＧＲガスが在ってはならないので、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とを切換えるときには吸排気弁のオーバーラップ状態を変更して、内部ＥＧＲガス量を大幅に変更しなくてはならず、その切換えの途中ではＨＣＣＩ燃焼には内部ＥＧＲガスが不足する一方、ＳＩ燃焼には内部ＥＧＲガスが多すぎる状態になってしまう。

この点に付き前記従来例（特許文献１）のエンジンでは、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との切換えに際し過渡的に、気筒の圧縮行程でのみ燃料を噴射させて点火プラグ周りの成層化混合気に点火する、所謂成層燃焼を行うようにしている。こうすれば、内部ＥＧＲガスの多すぎる状態であっても着火安定性性を確保し易く、また、燃料噴射量が相対的に少なくなるため、ノッキングも起き難い。
特開２００１−１５２９１９号公報

しかしながら、前記従来例のように燃焼の切換えに際し過渡的に成層燃焼を行うようにした場合は、点火プラグ周りのややリッチな混合気が点火されて燃焼するときに窒素酸化物の生成量が一時的に増大することになり、排気エミッションの観点からは改善の余地が残されている。

斯かる点に鑑みて本発明の目的は、内部ＥＧＲガスの多いＨＣＣＩ燃焼とそれの少ないＳＩ燃焼とを切換えるようにしたガソリンエンジンにおいて、切換の過渡時における燃焼の不安定化やノッキングの発生を防止しながら、その際の排気エミッションの悪化も抑制することにある。

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、燃焼状態の切換えに際して過渡的に、点火プラグ周りの成層化混合気に点火して燃焼させることで気筒内の予混合気の自己着火を誘発する、自己着火アシストモードを設けたものである。

具体的に請求項１の発明では、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て既燃ガスを残留させ、圧縮行程の終盤以降において空燃比のリーンな予混合気を自己着火させる自己着火モードと、前記気筒内の略理論空燃比の予混合気に点火する火花点火モードと、のいずれかに切換えてエンジンを運転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、エンジンには気筒内に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁を設けて、前記自己着火モード及び火花点火モードのいずれか一方から他方へ切換えるときには、前記負のオーバーラップ期間を設けるとともに、気筒内には略均一な予混合気を形成した後に、前記燃料噴射弁により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し、この成層化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を誘発するようにした（切換え過渡時制御手段）。

前記の構成により、まず、自己着火モードでは、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り、これにより気筒内の温度が上昇する。そして、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ると、その温度がさらに上昇して自己着火により燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）するようになる。

一方、火花点火モードでは気筒内の略理論空燃比の予混合気に点火して燃焼（ＳＩ燃焼）させることになるが、このときには前記ＨＣＣＩ燃焼に比べて内部ＥＧＲガス量を大幅に減らすことで、吸気の充填効率を高めて高出力を得ることができる。

そして、前記自己着火モード及び火花点火モードの切換えの際に過渡的に、内部ＥＧＲガス量がＨＣＣＩ燃焼には不足する一方、ＳＩ燃焼には多すぎる状態になると、基本的にはＨＣＣＩ燃焼のときと同様に気筒内に略均一なリーン予混合気が形成されることになるが、これに加えて点火プラグ周りに成層化混合気が形成され、この成層化混合気が点火されて燃焼することにより予混合気の自己着火が誘発される（自己着火アシストモード）。

つまり、点火プラグ周りの成層化混合気の燃焼によって予混合気の自己着火をアシストし、燃焼の不安定化等の不具合を防止できるとともに、そうして自己着火燃焼によって必要なエンジン出力が得られることから、成層化混合気を形成するための燃料量は従来例（特許文献１）に比べて格段に少なくて済み、その燃焼に伴い生成される窒素酸化物の量も少なくなって、排気エミッションの悪化が抑制される。

そのような窒素酸化物の生成を抑えるという観点からは、前記のような切換え過渡時の制御はできるだけ短期間とするのがよいから、例えば、運転モードが切換わるときのエンジンの運転状態に応じて、相対的に高負荷側ないし高回転側ほど、切換え過渡時の制御を行う期間を短くするのが好ましい（請求項２）。

すなわち、相対的に負荷や回転速度の高い運転状態であれば、気筒の温度も高いので、予混合気が自己着火し易くなるから、その分、切換え過渡時の制御を行う期間を短くすることによって、過渡時の燃焼による窒素酸化物の生成を極小化できる。尚、過渡時の制御を行う期間は、モード切換えの開始からの時間、或いは燃焼サイクル数によって設定すればよい。

一方で、相対的に負荷や回転速度の低い運転状態では、その分、気筒の温度も低くなるので、前記のように成層化混合気への点火によってアシストしても、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。すなわち、例えば自己着火モードから火花点火モードへの切換えの際には気筒内の内部ＥＧＲガス量が徐々に減少し、これに伴い徐々に予混合気が自己着火し難くなるから、そうして内部ＥＧＲガス量が所定以下になる期間は、従来例（特許文献１）に記載のエンジンと同様に、所謂成層燃焼を行うようにしてもよい。

つまり、エンジンが低負荷低回転領域にあるときに、モード切換えに際して気筒内の残留既燃ガス量が所定以下になる期間は、略均一な予混合気の形成を行わずに燃料噴射弁により圧縮行程で燃料を噴射させて、点火プラグ周りの成層化混合気に点火して燃焼させることが好ましく（請求項３）、こうすれば、低負荷低回転領域においても切換え時に燃焼の不安定化等の不具合が生じることを防止できる。

また、前記のようなエンジン制御装置において好ましいのは、負のオーバーラップ期間において燃料噴射弁により気筒内に燃料を直接、噴射させて、着火性の高い活性化混合気を形成することであり（請求項４）、こうすれば、予混合気中に含まれる活性化混合気によって自己着火を促進することができる。

また、好ましいのは、気筒内に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁とは別に、吸気通路に燃料を噴射するように燃料噴射弁を設け、気筒内に略均一な予混合気を形成するために、その別の燃料噴射弁により燃料を噴射させるようにすることである（請求項５）。

そうして吸気通路に燃料を噴射するのであれば、吸気弁が開く前に燃料を噴射することもできるので、気筒内に直接噴射するのに比べて燃焼の気化霧化の時間を確保し易い。また、前記したように成層化混合気を形成するための燃料は少量の方が好ましい一方で、予混合気形成のための燃料噴射量は、エンジンへ要求される出力に対応して多くしなくてはならないから、両者を同じ燃料噴射弁により行おうとすると無理があり、この点からも燃料噴射弁は流量特性の異なるものを複数、設ける方がよいのである。

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、自己着火モード（ＨＣＣＩ燃焼）と火花点火モード（ＳＩ燃焼）との切換えに際し過渡的に、内部ＥＧＲガス量がＨＣＣＩ燃焼には不足する一方、ＳＩ燃焼には多すぎる状態になっても、点火プラグ周りの成層化混合気に点火して燃焼させることで、予混合気の自己着火をアシストすることで、燃焼の不安定化等を防止できるとともに、その際の窒素酸化物の生成を抑えて、排気エミッションの悪化を抑制することができる。

特に、エンジンの運転状態に応じて、切換え過渡時の制御を行う期間を変更するようにすれば、過渡時の燃焼による窒素酸化物の生成を極小化して、排気エミッションの悪化を最小限に抑制できる。

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（別の燃料噴射弁）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。

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（自己着火モード）。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。この際、燃料噴射量はエアフローセンサ３１等の信号により求められる気筒２への吸気充填量に応じて、該気筒内２の空燃比がリーンになるように制御する。

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（リーン）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、窒素酸化物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吸気ポート９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（火花点火モード）。このときには気筒内２の空燃比が略理論空燃比になるように燃料噴射量を制御する。

さらに、前記ＨＣＣＩ領域(I)よりもさらに低負荷、低回転側の運転領域(III)は、エンジン１のアイドリング及びその近傍の非常に運転頻度の低い領域であるが、ここでは前記のように多量の内部ＥＧＲガスによって気筒２内の温度を高めるようにしても、安定した自己着火は難しいので、この運転領域(III)においても前記運転領域(II)と同様に略理論空燃比の予混合気に火花点火して、ＳＩ燃焼を行うようにしている（火花点火モード）。以下、前記運転領域（Ｉ）をＨＣＣＩ領域(I)と呼び、運転領域(II)(III)はいずれもＳＩ領域(II)(III)と呼ぶ。

尚、前記ＨＣＣＩ領域(I)における相対的に低負荷、低回転側の領域（図４に斜めハッチングを入れて示す領域）においては、吸排気弁１１，１２の負のオーバーラップ期間中に直噴インジェクタ１８による燃料噴射（第１噴射）を行うようにしている。こうして高温の内部ＥＧＲガスに曝された燃料噴霧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、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を形成すると考えられている。

ところで、前記図４に白抜きの矢印で示すように、エンジン１の運転状態が変化して、ＨＣＣＩ領域(I)とＳＩ領域(II)(III)との間で移行するときには、これに応じてＨＣＣＩ燃焼（自己着火モード）とＳＩ燃焼（火花点火モード）とに切換えるために、燃料の噴射形態や空燃比、或いは内部ＥＧＲガス量を変更しなくてはならないが、特に内部ＥＧＲガス量についてはＶＶＬ１４やＶＶＴ１５の作動によって徐々に変化するものであり、噴射態様や空燃比のように瞬時に切換えることはできない。

そして、安定したＨＣＣＩ燃焼のためにはＥＧＲ率で約６０％以上の多量の内部ＥＧＲガス量が求められる一方で、均一予混合気のＳＩ燃焼は、ＥＧＲ率が約３０％未満の状態で行われるから、両者の切換えの際にはエンジン１の燃焼サイクルで２〜５サイクル程度の期間、過渡的にＥＧＲ率が約３０〜６０％の状態、即ち安定したＨＣＣＩ燃焼が難しく、さりとてＳＩ燃焼とするには内部ＥＧＲガス量が多すぎる状態になってしまう。

そこで、この実施形態では、前記のような燃焼状態の切換えに際し過渡的に、成層化混合気への点火燃焼によってリーン予混合気の自己着火を誘発するようにしたものである。すなわち、図６に一例を示すように、燃焼切換えの際には吸排気の負のオーバーラップ期間が変化しても、その負のオーバーラップ期間中に直噴インジェクタ１８による燃料噴射（第１噴射）を行い、自己着火し易い活性化混合気を形成する。

それから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（第２噴射）、気筒２内に略均一な予混合気を形成し、その後、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の電極付近に偏在する混合気塊（成層化混合気）を形成し、これに圧縮上死点（ＴＤＣ）直後の所定タイミングで点火して、燃焼させる。

そうして成層化混合気の点火、燃焼により予混合気の自己着火を誘発することによって、切換の過渡時に気筒２内のＥＧＲガス量が不足する状態にあっても、リーン予混合気を安定的に自己着火させることができる。第３噴射の量は、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でよく、必要なエンジン出力は主に予混合気の自己着火燃焼によって得られる。以下、そうして予混合気の自己着火を誘発（アシスト）するエンジン運転モードを自己着火アシストモードとも呼び、そのときの燃焼をＨＣＣＩ燃焼と区別して、ＳＣＣＩ（Stratified Charge Compression Ignition）燃焼と呼ぶ。

（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７〜９のフローチャートに基づいて説明すると、まず、図７のフローではＨＣＣＩ燃焼（自己着火モード）とＳＩ燃焼（火花点火モード）との切換えの判定手順を示し、スタート後のステップＳＡ１では、クランク角センサ８、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。すなわち、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)(III)にあるので、後述のステップＳＡ５に進む一方、判定がＹＥＳであればステップＳＡ４に進んで、今度はＨＣＣＩ燃焼中であるかどうか判定する。この判定がＮＯであればＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼への切換え中であるから、図８のフローに進む一方、判定がＹＥＳであればＨＣＣＩ燃焼のための制御を継続する。

すなわち、まず、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。これは例えば、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を制御すればよい。

尚、ＶＶＬ１４についても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決定したリフト量となるように制御すればよい。このマップにおいて吸排気弁１１，１２のリフト量は、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設定されている。

そうして吸排気弁１１，１２の作動に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内の温度を高めるとともに、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て、気筒２内に略均一なリーン予混合気を形成する。そして、圧縮行程の終盤以降に予混合気に点火することなく自己着火させて、燃焼させる。また、相対的に低負荷、低回転側であれば、前記負のオーバーラップ期間中に直噴インジェクタ１８により燃料を噴射させて、予混合気の着火性を高めるようにする。

一方、前記ステップＳＡ３にてＮＯと判定して進んだステップＳＡ５では、前記ステップＳＡ４と同様にＳＩ燃焼中であるかどうか判定し、この判定がＮＯでＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切換え中であれば、図９のフローに進む一方、判定がＹＥＳであれば、ＳＩ燃焼中であるから、そのための制御を継続する。すなわち、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。

−ＨＣＣＩ燃焼への切換え−
次に、ＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼への切換えについて説明すると、まず、図８のフローのステップＳＢ１において、ＨＣＣＩ燃焼に適した吸排気弁１１，１２の作動タイミングとなるようにＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５を制御する。すなわち、主にＶＶＴ１５の作動によって吸気弁１１の作動タイミングが遅角する一方、排気弁１２の作動タイミングは進角し、徐々に負のオーバーラップ期間が大きくなって、内部ＥＧＲガスの量も増大する。

続いてステップＳＢ２において、エンジン１の運転状態から成層燃焼を行うかどうか判定する。これは要するに、ＨＣＣＩ領域(I)に高負荷、高回転側のＳＩ領域(II)から移行するのか、それとも低負荷、低回転側のＳＩ領域(III)から移行するのか、を判別するものであり、相対的に高負荷、高回転側の燃焼切換え時であれば、気筒２の温度が高く、成層燃焼を行う必要はないので（判定はＮＯ）、後述のステップＳＢ７に進む。

一方、相対的に低負荷、低回転側の燃焼切換え時であれば、気筒２の温度も低いので、前記ＶＶＴ１５等の作動によって徐々に増大する内部ＥＧＲガスの量が所定量（ＥＧＲ率で例えば３５〜４０％くらい）以下の期間は、如何にしても予混合気を安定して自己着火させることは難しく、この期間は成層燃焼とすることで燃焼の安定化を図る。即ち、まずステップＳＢ３では気筒２の圧縮行程における第３の燃料噴射の量及び時期を決定し、その噴射時期になればステップＳＢ４で第３噴射を実行する。そして、ステップＳＢ５では点火プラグ１６により成層化混合気に点火して燃焼させる。

尚、前記第３噴射の量も、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決定すればよい。また、噴射時期は、噴射量及び点火時期等に対応する圧縮行程後期の適切な時期にすればよく、これも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決定するようにすればよい。

そして、ステップＳＢ６において、前記のような成層燃焼からＳＣＣＩ燃焼への切換えのタイミングになったかどうか判定し、この判定がＮＯであれば前記ステップＳＢ３に戻って成層燃焼を継続する。一方、ＶＶＴ１５等の作動によって内部ＥＧＲガス量が徐々に増大し、それが前記所定量を越えて、成層化混合気の火花点火により予混合気の自己着火を誘発（アシスト）できるようになれば（判定がＹＥＳ）、ステップＳＢ６に進んで、以下のような自己着火アシストモードに切換える。

尚、前記切換えのタイミングになったかどうかの判定は、前記ステップＳＢ１においてＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の制御を開始してからの時間経過に基づいて行うことができ、或いはＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の制御開始からの燃焼サイクル数をカウントして、判定するようにしてもよい。

そうして切換えのタイミングになった（ＹＥＳ）と判定して進んだステップＳＢ７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、エンジン１の目標トルク及び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、詳しい説明は省略するが、例えば第１、第２噴射量はそれぞれ目標トルクの増大に応じて増量すればよく、一方、第３噴射量は、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。

また、ステップＳＢ７では、前記第１、第２及び第３の各噴射時期（目標噴射時期）もそれぞれ予め実験的に設定してある噴射時期マップから読み込んで、決定する。例えば第１噴射の時期は、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し、第２噴射の時期は吸気行程の中期から吸気弁１１が開かれるまでの間に設定する。また、第３噴射の時期は圧縮行程終盤に設定するのがよい。

そして、ステップＳＢ８では、前記ステップＳＢ７にて決定した第１、第２及び第３噴射の時期において、それぞれ、第１噴射の時期に直噴インジェクタ１８を、第２噴射の時期にポートインジェクタ１９を、さらに第３噴射の時期に再び直噴インジェクタ１８を作動させる。続くステップＳＢ９ではＴＤＣ近傍（ＴＤＣ直後が望ましい）の所定の点火時期において点火回路１７を作動させ、点火プラグ１６に通電して、前記第３噴射によって点火プラグ１６の近傍に形成された混合気塊（成層化混合気）に点火して燃焼させる。

続いてステップＳＢ１０において、前記ＳＣＣＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼への切換えのタイミングになったかどうか判定し、この判定がＮＯであれば前記ステップＳＢ７に戻って自己着火アシストモードでの運転を継続する一方、内部ＥＧＲガス量が十分に多くなって、アシストなしでも予混合気が安定して自己着火するようになれば（判定がＹＥＳ）、ステップＳＢ１１に進んで、前記したＨＣＣＩ燃焼のための制御を実行し、しかる後にリターンする。

尚、前記ＨＣＣＩ燃焼への切換えタイミングの判定も、ステップＳＢ５における判定と同様に、前記ステップＳＢ１においてＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の制御を開始してからの時間経過や燃焼サイクル数に基づいて行うことができる。また、その判定基準となる時間経過や燃焼サイクル数については、燃焼の切換え時におけるエンジン１の運転状態に応じて、相対的に高負荷側ないし高回転側ほど短い時間（少ない燃焼サイクル数）に設定するのが好ましい。

これは、相対的にエンジン１の負荷や回転速度の高い運転状態であれば、気筒２の温度も高いので、予混合気が自己着火し易くなるから、その分は相対的に内部ＥＧＲガス量が少なめな状態でもＨＣＣＩ燃焼を安定的に実現できるからである。こうすれば、結果として燃焼切換えの過渡的な制御を行う期間を短くすることが可能になって、この過渡時のＳＣＣＩ燃焼や成層燃焼に伴う窒素酸化物の生成が極小化される。

前記のように、ＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼への切換えに際し過渡的に、ＨＣＣＩ燃焼には内部ＥＧＲガス量が少なく、予混合気を安定して自己着火させることができない状態になったとき、成層化混合気の火花点火によって自己着火をアシストするようにしている。また、低負荷低回転領域での切換えで前記のようにアシストしても予混合気の自己着火が難しい状況では、一時的に成層燃焼を行うようにしている。

−ＳＩ燃焼への切換え−
次に、ＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切換えについて図９のフローに基づき、図１０のタイムチャートを参照しながら説明する。この場合の制御の手順は、基本的に前記図８に示すＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼への切換えと逆のものであり、同じ手順についての詳しい説明は省略する。

まず、図９のフローのステップＳＣ１では、前記図８のフローのステップＳＢ１と同様に主にＶＶＴ１５を制御して、ＳＩ燃焼に適した内部ＥＧＲガス量となるように吸排気弁１１，１２の作動タイミングを制御する。これにより、図１０(b)に示すように、時刻ｔ0から時刻ｔ2にかけて吸気弁１１のリフトカーブＬinが進角側へ変位する一方、排気弁１２のリフトカーブＬexは遅角側へ変位し、負のオーバーラップ期間が徐々に小さくなって、同図(d)に示すように内部ＥＧＲガス量が徐々に減少するようになる（同図ではＥＧＲ率で表している）。

その内部ＥＧＲガス量の減少に対応して、ステップＳＣ２〜４では、図８のフローのステップＳＢ７〜９と同じ手順でエンジン１を自己着火アシストモードで運転する。これにより図１０(a)の如く燃焼状態はＳＣＣＩ燃焼となる。この際、排気エミッションを考慮して空燃比を瞬時に理論空燃比（A/F=14.7）に切換えるために（同図(e)参照）、燃料噴射量（主に第２噴射量）を増量するとともに（図(ｆ)参照）、これによるトルクの変動を抑えるために、ＶＶＬ１４の作動によって吸気弁１１のリフト量を減少させる（図(c)参照）。

続いてステップＳＣ５では、図８のフローのステップＳＢ２と同様にして、成層燃焼を行うかどうか判定する。そして、高負荷、高回転側の燃焼切換え時であって成層燃焼を行う必要がなければ（判定はＮＯ）、後述のステップＳＣ１２に進む一方、低負荷、低回転側の燃焼切換え時であって成層燃焼を行う必要があれば（判定はＹＥＳ）、ステップＳＣ６に進む。

このステップＳＣ６では、図８のフローのステップＳＢ６と同様にして、成層燃焼への切換えタイミングになったかどうか判定する。すなわち、図１０(d)に示すように徐々に減少する内部ＥＧＲガス量が所定量（図には星印★で示す）以上であり、アシストすれば予混合気の安定した自己着火が可能なうちは（判定がＮＯ）、前記ステップＳＣ２に戻ってＳＣＣＩ燃焼を継続する。

一方、内部ＥＧＲガス量がさらに減少して前記所定量未満になれば（図１０の時刻ｔ1でステップＳＣ６の判定がＹＥＳ）、アシストしても安定した自己着火は望めないので、ステップＳＣ７〜９に進み、図８のフローのステップＳＢ３〜５と同様にしてエンジン１を成層燃焼状態で運転する。すなわち、気筒２の圧縮行程において第３の燃料噴射を行い、これに点火して燃焼させる。

続くステップＳＣ１０では、図８のフローのステップＳＢ１０と同様にして、ＳＩ燃焼への切換えタイミングになったかどうか判定し、この判定がＮＯであればステップＳＣ７に戻って成層燃焼を継続する一方、図１０(d)のように徐々に減少した内部ＥＧＲガス量が、ＳＩ燃焼に適した状態になれば（時刻ｔ2で判定がＹＥＳ）、ステップＳＣ１１に進んで前記したＳＩ燃焼のための制御に切換え、しかる後にリターンする。

また、前記ステップＳＣ５にて成層燃焼を行わない（ＮＯ）と判定して進んだステップＳＣ１２では、前記ステップＳＣ１０と同じくＳＩ燃焼への切換えタイミングになったかどうか判定し、判定がＮＯであればステップＳＣ２に戻ってＳＣＣＩ燃焼を継続する。そして、図１０には示さないが、内部ＥＧＲガス量の減少に伴い前記ステップＳＣ１２にてＹＥＳと判定されれば、ステップＳＣ１１に進んでＳＩ燃焼のための制御に切換え、しかる後にリターンする。

尚、前記したＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切換え時においても、ＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼への切換え時と同じように、切換えの過渡的な制御を行う期間はできるだけ短くするのが好ましい。そのためには、例えば燃焼の切換え時におけるエンジン１の運転状態に応じて、相対的に高負荷側ないし高回転側ほど、切換え過渡時の制御を開始する（つまりＨＣＣＩ燃焼からＳＣＣＩ燃焼に切換える）内部ＥＧＲガス量を少なめに設定するとともに、この過渡時の制御を終了する（つまりＳＩ燃焼に切換える）までの時間経過や燃焼サイクル数を少なめに設定するればよい。

前記図８、９のフロー全体により、自己着火モード及び火花点火モードの切換えに際して、吸排気弁１１，１２の負のオーバーラップ期間を設けるとともに、ポートインジェクタ１９により吸気行程で燃料を噴射させて、気筒２内に略均一なリーン予混合気を形成し、その後、直噴インジェクタ１８により圧縮行程で燃料を噴射させて、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切換え過渡時制御手段が構成されている。

この実施形態の切換え過渡時制御手段は、吸排気弁１１，１２の負のオーバーラップ期間中に直噴インジェクタ１８により燃料を噴射（第１噴射）させて、予混合気の着火性を高めるようにしている。

また、この実施形態の切換え過渡時制御手段は、エンジン１がＨＣＣＩ領域(I)と低負荷、低回転側のＳＩ領域(III)との間を移行する際、過渡的に内部ＥＧＲガス量が所定量未満になって、アシストしても安定した自己着火が望めない状態では、エンジン１を成層燃焼状態で運転することで、燃焼安定性を確保するようにしている。

前記図７〜９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、その意味ではＰＣＭ３０自体が、前記切換え過渡時制御手段を構成しているといえる。

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、エンジン１の運転状態の変化に伴いその運転モードを自己着火モードと火花点火モードとの間で切換える際に、過渡的に気筒２の内部ＥＧＲガス量がＨＣＣＩ燃焼には不足する一方、ＳＩ燃焼には多すぎる状態になっても、高温の内部ＥＧＲガス中に燃料を噴射して活性化混合気を形成するとともに、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って予混合気の自己着火を誘発（アシスト）する自己着火アシストモード（ＳＣＣＩ燃焼）とすることで、燃焼の不安定化等を防止することができる。

その自己着火アシストモードでは、エンジン１の運転状態を維持するために必要なトルクが主に予混合気の自己着火燃焼によって得られ、自己着火のアシストのための燃料噴射量は、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しているので、この燃料の燃焼に伴い生成される窒素酸化物の量は非常に少なくなり、切換え過渡時の排気エミッションの悪化は十分に抑制できる。

しかも、前記のような切換え過渡時の制御を行う期間をエンジン１の運転状態に応じて、相対的に高負荷側ないし高回転側ほど短くすることで、過渡時の燃焼による窒素酸化物の生成を極小化することもできる。

一方で、相対的に負荷や回転速度の低い運転状態では、切換に際し過渡的に自己着火アシストモードでも燃焼安定性を確保できない場合があるが、このときには所謂成層燃焼を行うことで、燃焼安定性を確保することができる。

（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、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との切換えの際のＳＣＣＩ燃焼において、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噴射が不要になる場合もある。

また、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。

或いはエンジン１に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、窒素酸化物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を用いる方がよい。

さらに、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、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とを切換えて行うようにしたガソリンエンジンにおいて、その切換え過渡時の燃焼安定性を確保しながら、その際の排気エミッションの悪化も抑制することができるので、有用である。

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。 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。 燃焼状態の切換えの判定手順を示すフローチャート図である。 ＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼への切換え過渡時の判定手順を示すフローチャート図である。 ＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切換え過渡時についての図８相当図である。 ＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切換え過渡時における吸排気オーバーラップ、吸気弁リフト、ＥＧＲ率、空燃比及び燃料噴射量のそれぞれの変化を示すタイムチャート図である。

符号の説明

Ａ エンジン制御装置
１ ガソリンエンジン
２ 気筒
９ 吸気ポート
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）
１９ ポートインジェクタ（別のインジェクタ）
３０ ＰＣＭ（切換え過渡時制御手段）

Claims (5)

1. 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て、既燃ガスを残留させ、圧縮行程の終盤以降において空燃比のリーンな予混合気を自己着火させる自己着火モードと、前記気筒内の略理論空燃比の予混合気に点火する火花点火モードと、のいずれかに切換えて、エンジンを運転するようにしたガソリンエンジンの制御装置であって、
   エンジンには気筒内に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁が設けられ、
   前記自己着火モード及び火花点火モードのいずれか一方から他方への切換えに際して、前記負のオーバーラップ期間を設けるとともに、気筒内には略均一な予混合気を形成した後に前記燃料噴射弁により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し、この成層化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を誘発する切換え過渡時制御手段を備える
   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、
   切換え過渡時制御手段は、モード切換えの際のエンジンの運転状態に応じて、相対的に高負荷側ないし高回転側ほど、切換え過渡時の制御を行う期間を短く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１又は２のいずれかの制御装置において、
   切換え過渡時制御手段は、エンジンが低負荷低回転領域にあるとき、モード切換えに際して気筒内の残留既燃ガス量が所定以下になる期間は、略均一な予混合気の形成を行わずに燃料噴射弁により圧縮行程で燃料を噴射させ、点火プラグ周りの成層化混合気に点火して燃焼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。
4. 請求項１〜３のいずれか１つ制御装置において、
   切換え過渡時制御手段は、負のオーバーラップ期間において燃料噴射弁により気筒内に燃料を直接、噴射させて、着火性の高い活性化混合気を形成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。
5. 請求項１〜４のいずれか１つ制御装置において、
   吸気通路に燃料を噴射するように別の燃料噴射弁が設けられ、
   切換え過渡時制御手段は、前記別の燃料噴射弁により燃料を噴射させて気筒内に略均一な予混合気を形成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。

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