JP5540730B2

JP5540730B2 - 火花点火式エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP5540730B2
Application number: JP2010015330A
Authority: JP
Inventors: 正尚山川; 浩平岩井; 秀児大場
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: JP2011153562A

Description

本発明は、ガソリンを主成分とする燃料が供給される点火プラグを有する火花点火式エンジンの制御装置に関する。

従来より、点火プラグを有する火花点火式ガソリンエンジンにおいて、運転領域に応じて、燃焼室内の混合気を自着火させる圧縮自己着火燃焼と、点火プラグによる火花点火によって混合気を強制燃焼させる火花点火燃焼とを行うことが知られている。圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の各所で同時多発的に自着火する燃焼であり、火花点火による燃焼に比べてより高い熱効率が得られると言われている。しかしながら、この圧縮自己着火燃焼は所定の運転領域では燃焼制御性が悪化する（つまり過早着火やノッキングあるいは失火が起き易くなる）という問題を有している。そのため、このような領域では火花点火によりコントロールされた強制燃焼を行う必要があり、運転領域に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とが使い分けられている。

例えば、特許文献１には、低回転低負荷領域において圧縮自己着火燃焼を行い、その他の領域、具体的には、低回転高負荷領域および高回転領域にて火花点火燃焼を行う装置が開示されている。この装置では、燃焼が安定しやすい低回転低負荷領域にて圧縮自己着火燃焼を行うことで圧縮自己着火燃焼を的確に実行し、低回転低負荷領域での熱効率を高めて燃費性能の改善を図っている。さらに、この装置では、高負荷領域において圧縮比を１３以上としてエンジン出力を高める一方、圧縮自己着火が行われる低負荷領域において圧縮比を１３以下の所定値とすることでポンピングロスを抑えてエンジン性能の改善を図っている。

特開２００７−２９２０６０号公報

上記特許文献１に開示されている装置では、低負荷領域において低回転側では圧縮自己着火燃焼が行われて高回転側では火花点火燃焼が行われているが、これら燃焼方式によらず低負荷領域では圧縮比を１３以下の所定値としている。ここで、圧縮自己着火燃焼では、圧縮比が低下すると燃焼安定性が悪化するという問題がある。そのため、この装置のように、低負荷領域において単に圧縮比を小さく抑えただけでは、圧縮自己着火燃焼時に失火等が生じるおそれがある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃焼安定性を改善しつつ燃費性能をより効果的に向上させることを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、燃焼室内の混合気を点火可能な点火プラグを有する火花点火式エンジンの制御装置であって、エンジンの負荷が所定値以下の低負荷領域において、当該エンジンの低回転低負荷領域では圧縮自己着火燃焼を行わせる一方、当該エンジンの高回転低負荷領域では上記点火プラグによる混合気の点火によって火花点火燃焼を行わせるようにエンジンの各部を制御する制御手段を備え、上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる低回転領域では負荷が低くなるほどエンジンの有効圧縮比を高くする一方、上記火花点火燃焼を行わせる高回転領域では負荷が低くなるほどエンジンの有効圧縮比を低くすることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置を提供する（請求項１）。

この装置によれば、低回転領域で圧縮自己着火燃焼を実施する一方高回転領域で火花点火燃焼を実施しており、高回転領域での圧縮自己着火燃焼による失火を確実に回避しつつ低回転領域で確実に圧縮自己着火燃焼を確実に実現することで燃費性能を高めることができる。しかも、同一負荷領域であっても燃焼形態に応じて負荷に対する有効圧縮比の制御を異ならせており、各燃焼形態においてそれぞれ燃費性能を向上させることができる。すすなわち、圧縮自己着火燃焼を行う低回転領域においては負荷の低下とともに有効圧縮比を高めており、負荷の低下に伴う燃焼安定性の悪化を抑制して適正な圧縮自己着火燃焼を実現することで燃費性能を向上させることができるとともに、火花点火燃焼を行う高回転領域においては負荷の低下とともに有効圧縮比を低下させており、ポンピングロスを低減させることで燃費性能を向上させることができる。

ここで、適正な圧縮自己着火燃焼を実現するためには圧縮時の温度および圧力として比較的高い値が必要となる。そこで、エンジン本体の幾何学的圧縮比としては、１６以上に設定されているのが好ましい（請求項２）。

また、本発明において、上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域全域において、上記燃焼室内の理論空燃比に対する空気過剰率λをλ≧２に設定するのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、λ≧２という大幅にリーンな空燃比下で圧縮自己着火燃焼を行わせることにより、燃焼により生じるＮＯｘの量を効果的に低減でき、排ガス性能を向上させることができる。

また、本発明において、上記制御手段は、上記低負荷領域の少なくとも一部の負荷領域において、上記圧縮自己着火燃焼を行なわせる低回転領域のエンジンの有効圧縮比を、同一負荷で上記火花点火燃焼を行なわせる高回転領域のエンジンの有効圧縮比よりも高くするとともに、上記火花点火燃焼を行わせる高回転領域から上記圧縮自己着火燃焼を行わせる低回転領域への移行時において、当該移行後の所定期間、上記点火プラグによる混合気の点火を持続させるのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、圧縮自己着火燃焼実施時の有効圧縮比を高い値としてより確実に適正な燃焼を実現することができるととともに、有効圧縮比の低い状態で実施される火花天下燃焼から有効圧縮比の高い状態で実施される圧縮自己着火燃焼への移行時に、失火等が生じるのをより確実に回避することができる。すなわち、上記移行時には、有効圧縮比が即時に切り替わらずに有効圧縮比が十分に高められておらず適正な圧縮自己着火燃焼が実現困難な状態となるおそれがあるが、本構成では、この移行後の所定期間、点火プラグによる点火を持続させて混合気にエネルギーを付与することで燃焼を促進しており、燃焼安定性を高めることができる。

上記所定期間は、エンジンの有効圧縮比が上記圧縮自己着火燃焼を行わせる低回転領域に対して設定された値となるまでの期間であるのが好ましい。すなわち、制御手段は、上記火花点火燃焼を行わせる高回転領域から上記圧縮自己着火燃焼を行わせる低回転領域への移行後、エンジンの有効圧縮比が上記圧縮自己着火燃焼を行わせる低回転領域に対して設定された値となるまでの期間、上記点火プラグによる混合気の点火を持続させるのが好ましい（請求項５）。

このようにすれば、上記移行後において、より確実に適正な圧縮自己着火燃焼を実現することができる。

以上説明したように、本発明によれば、燃焼形態に応じてエンジンの有効圧縮比を適切に制御することで失火等を回避しつつエンジンの燃費性能をより効果的に向上させることができる。

理論空燃比に対する空気過剰率λとＮＯｘの生成量との関係を示すグラフである。燃料と酸素が化学反応して圧縮自己着火燃焼が起きる様子を説明するための図である。一般的なレシプロ式ガソリンエンジンを模式的に示す図である。エンジン回転数が１０００ｒｐｍのときに混合気をＭＢＴで自着火させるための圧縮端温度および圧縮端圧力の条件を算出したグラフである。本発明の実施形態にかかる火花点火式エンジンの制御装置の全体構成を示す図である。本発明の実施形態にかかる有効圧縮比を制御するために設定される吸気弁のリフト特性の一例を示す図である。本発明の実施形態にかかる制御マップを示す図である。ＨＣＣＩ燃焼領域および第２ＳＩ燃焼領域におけるエンジン負荷に応じた有効圧縮比の変化を示す図である。第１ＳＩ燃焼領域および第２ＳＩ燃焼領域におけるエンジン負荷に応じた有効圧縮比の変化を示す図である。燃焼領域移行時の有効圧縮比および点火信号の変化を示す図である。

＜本発明に至るまでの研究＞
（１−１）空燃比に関する考察
エンジンの熱効率を向上させて燃費性能を改善するには、理論空燃比よりもリーンな空燃比下で混合気を燃焼（リーン燃焼）させればよい。空燃比をリーンにして混合気の空気量を燃料（ガソリン）に対して過剰な量とすると、混合気の燃焼温度が低下してエンジンの排気損失および冷却損失が低減されるため、熱効率は向上する。

上記のようなリーン燃焼を行わせるガソリンエンジン（リーンバーンガソリンエンジン）は既に開発されている。例えば、通常１４．７程度である理論空燃比に対して混合気の空燃比を２０程度まで大きく設定したガソリンエンジンが実用化されている。しかしながら、２０程度の空燃比では、熱効率の大幅な改善が望めないだけでなく、エミッション性能が悪化するという問題がある。すなわち、エンジンの排気通路には、一般に、排ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを同時に浄化可能な三元触媒が設けられるが、この三元触媒は、空燃比が理論空燃比であるときに最大の性能を発揮するものであり、空燃比が上記のように２０程度までリーン化されるとＮＯｘの浄化性能が極端に低下する。

ここで、例えばＮＯｘを吸蔵して還元するＮＯｘ触媒を上記三元触媒とは別に設けることにより、ＮＯｘをある程度浄化することは可能である。しかしながら、上記ＮＯｘ触媒を設けた場合であっても、空燃比が２０程度の場合には、ＮＯｘの排出量を年々厳しくなる排ガス規制に十分に対応することができないおそれがある。

そこで、本願発明者は、空燃比を理論空燃比よりも大幅にリーン化することにより、燃焼により生じるＮＯｘ量（生のＮＯｘ量）自体を低減しようと考えた。すなわち、空燃比を大幅にリーンにすることで、混合気の燃焼温度をＮＯｘの生成温度（ＮＯｘが活発に生成される温度）よりも低くし、これによってＮＯｘの生成量を低減することを検討した。

図１は、理論空燃比に対する空気過剰率λと、ＮＯｘの生成量（燃焼により生じる生のＮＯｘ量）との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、縦軸の値Ｙは、ＮＯｘ触媒を設ければ所定の排ガス規制を十分に満足できるＮＯｘの生成量を示しており、値Ｘは、ＮＯｘ触媒を設けなくても上記排ガス規制を十分に満足できるＮＯｘの生成量を示している。

図１から理解できるように、理論空燃比に対する空気過剰率λをλ≧２．４（空燃比で約３５以上）とすれば、燃焼により生じる生のＮＯｘ量が上記基準値Ｘ以下になり、ＮＯｘ触媒を設けなくても排気ガス規制を十分に満足できる。また、空気過剰率λが２〜２．４までの範囲では、ＮＯｘ生成量を上記基準値Ｙよりも小さく抑えることができ、ＮＯｘ触媒を設けることで規制を十分に満足することが可能となる。

以上のことから、ＮＯｘ排出量の問題をクリアするには、理論空燃比に対する空気過剰率λを、λ≧２、より好ましくはλ≧２．４に設定すればよいことが分かる。λを２．４以上に設定すればＮＯｘ触媒を省略できるため、λが２〜２．４のときと比べてコスト面等でも有利となる。

しかしながら、λ≧２（または２．４）の超リーンな空燃比下で混合気を燃焼させた場合、火炎伝播速度は理論空燃比下で燃焼させた場合に比べて大幅に低下する。そのため、従来のガソリンエンジンと同様の火花点火による燃焼（以下、ＳＩ燃焼という場合がある）を適用したのでは、火炎が十分に伝播する前にピストンが下降してしまい失火するという問題がある。これに対して、混合気が同時多発的に自着火する圧縮自己着火燃焼（以下ＨＣＣＩ燃焼という場合がある）を実施した場合には、上記のような火炎伝播速度の低下にかかわらず、λ≧２の空燃比下でも適正な燃焼を行える可能性があることがわかった。そこで、本願発明者は、この圧縮自己着火燃焼に着目してさらに以下のような検討を行った。

（１−２）ＨＣＣＩ燃焼に関する考察
ガソリンエンジンにおけるＨＣＣＩ燃焼は、図２に示すように、燃料（ガソリン）と酸素が自主的に化学反応する現象であり、水と二酸化炭素を生成しつつ熱エネルギーを発生させる。この燃料と酸素の化学反応が起きるか否かは、混合気の温度、圧力、高温高圧時間（混合気が高温・高圧に晒される時間）によって決定される。具体的には、温度が高いほど混合気中の分子の速度が速くなるため、また、圧力が高いほど（つまり分子密度が高いほど）混合気中の分子の衝突頻度が多くなるため、温度および圧力が高いほど化学反応は起き易くなる。そして、温度および圧力が高い時間（高温高圧時間）がある程度継続したところで化学反応すなわち燃焼が開始し、その後は、この化学反応が連鎖的に進行することで混合気の燃焼が完了する。

前述のように、ＨＣＣＩ燃焼では混合気が同時多発的に自着火するため、火花点火時の燃焼すなわちＳＩ燃焼に比べて混合気の燃焼は短期間で完了する。しかしながら、上記のように、ＨＣＣＩ燃焼は、高温高圧時間がある程度継続することでその燃焼が開始する。そのため、エンジンの回転数が高い運転領域ではこの高温高圧時間が十分に確保できずＨＣＣＩ燃焼が開始しないことによる失火が生じるおそれがある。従って、このようなエンジンの回転数が高い運転領域では、ＨＣＣＩ燃焼を行わず、空気過剰率λ＝１すなわち理論空燃比近傍の空燃比下でＳＩ燃焼を行うことで確実に失火を回避する必要がある。一方、低回転領域では高温高圧時間を十分に確保できるため、空気過剰率λ≧２の空燃比下でのＨＣＣＩ燃焼を行い燃費性能の向上およびＮＯｘの低減が可能となる。

上記ＨＣＣＩ燃焼を行うにあたり、最大トルクが得られる最適の着火タイミング（ＭｉｎｉｍｕｍＡｄｖａｎｃｅｆｏｒＢｅｓｔＴｏｒｑｕｅ；以下、ＭＢＴという）で混合気を自着火させることが望ましい。そこで、本願発明者は、図３に示すようなガソリンエンジンにおいて、上記ＭＢＴで混合気を自着火させるための筒内温度Ｔおよび筒内圧力Ｐの条件について考察した。図３は、ピストンやシリンダー等からなる一般的なレシプロ式ガソリンエンジンを模式的に示したものである。また、上記ＭＢＴは、エンジンの負荷によって異なるが、おおむね圧縮上死点付近のタイミング（高負荷時）からＡＴＤＣ（圧縮上死点後）３°ＣＡ（低負荷時）の間にある。

図４は、理論空燃比に対する空気過剰率λ＝２．４においてエンジン回転数が１０００ｒｐｍのときに、混合気がＭＢＴで自着火する圧縮端温度（ＭＢＴ直前の筒内温度）Ｔｘおよび圧縮端圧力（ＭＢＴ直前の筒内圧力）Ｐｘを、素反応計算および状態方程式に基づき算出したグラフである。なお、λ＝２．４というリーンな空燃比下で混合気を自着火させるには、一般的なレシプロ式ガソリンエンジンよりも高い圧縮比で混合気をより高温・高圧化する必要がある。また、熱効率の面においても圧縮比は高い方が有利である。そこで、このグラフの算出にあたっては、エンジン１気筒あたりの排気量を５００ｃｃとし幾何学的圧縮比を１８とした。

図４のグラフにおいて、ラインＬ１は、混合気がＭＢＴで自着火するために必要な圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの値を結んだラインであり、各値Ｔｘ，Ｐｘが上記ラインＬ１上にあれば、自着火のタイミングがＭＢＴになることを表わしている。なお、本図における圧縮端温度Ｔｘ、圧縮端圧力Ｐｘとは、圧縮上死点での筒内温度・圧力のことを指す。

また、図４のグラフにおいて、ラインＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４は、筒内に導入される新気量すなわち負荷一定におけるＭＢＴ直前（圧縮端）での温度と圧力の関係を示すものであり、Ｍ１から順に負荷が低くなる。すなわち、幾何学的圧縮比１８一定においてＭＢＴ直前（圧縮端）での行程容積は常に一定であるから、状態方程式によると新気量（負荷）は、圧縮端圧力Ｐｘに比例して圧縮端温度Ｔｘに反比例する。このため、負荷ごとに、傾きの異なる複数のラインＭ１〜Ｍ４を規定することができる。なお、本図において、各ラインＭ１〜Ｍ４の負荷は、図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）で表して、Ｍ１が全負荷ＩＭＥＰ＝１３００ｋＰａ、Ｍ２がＩＭＥＰ＝９００ｋＰａ，Ｍ３が１／３負荷ＩＭＥＰ＝５００ｋＰａ、Ｍ４が無負荷ＩＭＥＰ＝２００ｋＰａである。

図４のグラフに示すように、混合気がＭＢＴで自着火する条件（ラインＬ１）は、右下がりに傾斜しており、圧縮端圧力Ｐｘが低いほど圧縮端温度Ｔｘを高くする必要がある。すなわち、上記化学反応を起こすためには、圧縮端圧力Ｐｘが低くなり分子の衝突頻度が減少した分だけ、圧縮端温度Ｔｘを高くして分子速度を高めねばならない。

なお、圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの条件が上記ラインＬ１よりも高温・高圧側（グラフの右上側）に外れると自着火のタイミングはＭＢＴよりも早くなる一方、上記条件が上記ラインＬ１よりも低温・低圧側（グラフの左下側）に外れると、自着火のタイミングはＭＢＴよりも遅くなる。そして、ラインＬ１に対し高温・高圧側または低温・低圧側に大きく外れると、高温・高圧側では過早着火（プリイグニッション）やノッキングが起き、低温・低圧側では失火が起きる。

上記ＭＢＴで自着火する条件を示したラインＬ１と各負荷における圧力と温度の関係を示したラインＭ１〜Ｍ４との交点が、各負荷においてＭＢＴでの自着火を実現するための温度圧力条件である。図４のグラフに示されるように、負荷が小さくなるほどＭＢＴで自着火させるためには圧縮端圧力Ｐｘを低くするとともに圧縮端温度Ｔｘを高くする必要がある。

圧縮端温度Ｔｘを負荷の低下に応じて高める具体的方法としては、例えば、新気の温度を加熱する方法がある。しかしながら、図４に示されるような広範な温度範囲にわたって新気の加熱あるいは冷却を行うのは、コスト面や制御性等の問題から、現実的ではない。

（１−３）解決策
そこで、本願発明者は、エンジンの有効圧縮比の変更により圧縮端温度Ｔｘを変更可能である点に着目した。すなわち、負荷が低くなるほどエンジンの有効圧縮比を高めることで、圧縮端温度Ｔｘを高めてＭＢＴでのＨＣＣＩ燃焼を実現することを考えた。

エンジンの有効圧縮比を変化させるには、吸気弁の閉時期を変更させて実質的に圧縮が開始される時期を変更すればよく、新気を加熱する場合等に比べてエンジンの構造を従来のものから大幅に変更することなく圧縮端温度Ｔｘを変更することができる。

＜本発明の実施形態＞
（２−１）
次に、以上のような基礎理論を基に考案された本発明の実施形態にかかる火花点火式エンジンの制御装置について、図面を用いて説明する。

図５は、上記本発明の実施形態にかかる火花点火式エンジンの制御装置の全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、紙面に直交する方向に配置された複数の気筒２（図中ではそのうちの１つのみを示す）を有したシリンダブロック３と、シリンダブロック３上に配置されたシリンダヘッド４とを備えた多気筒ガソリンエンジンからなるエンジン本体１を有している。なお、エンジン本体１に供給される燃料は、ガソリンを主成分とするものであればよく、その中身は、全てガソリンであってもよいし、ガソリンにエタノール（エチルアルコール）等を含有させたものであってもよい。

上記エンジン本体１の各気筒２には、ピストン５が往復摺動可能に挿入されている。ピストン５はコネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されており、上記クランク軸７は上記ピストン５の往復運動に応じてその中心軸回りに回転する。

上記ピストン３の上方には燃焼室６が形成されている。この燃焼室６には吸気ポート９および排気ポート１０が開口しており、各ポート９，１０を開閉する吸気弁１１および排気弁１２が、上記シリンダヘッド４にそれぞれ設けられている。吸気弁１１および排気弁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（図示省略）等を含む動弁機構１３によりクランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。

上記吸気弁１１および排気弁１２用の各動弁機構１３には、ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５がそれぞれ組み込まれている。ＶＶＬ１４は、可変バルブリフト機構（ＶａｒｉａｂｌｅＶａｌｖｅＬｉｆｔＭｅｃｈａｎｉｓｍ）の略称であり、吸排気弁１１，１２のリフト量（開弁量）を可変的に設定するものである。ＶＶＴ１５は、可変バルブタイミング機構（ＶａｒｉａｂｌｅＶａｌｖｅＴｉｍｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｓｍ）の略称であり、吸排気弁１１，１２の開閉タイミング（位相角度）を可変的に設定するものである。なお、上記ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５は、既に様々な形式のものが実用化されて公知であるため、ここではその詳細な説明は省略するが、例えば特開２００７−８５２４１に開示されているものを採用することが可能である。

上記エンジン本体１のシリンダヘッド４には、各気筒２の燃焼室６を上方から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、シリンダヘッド４の上部に設けられた点火回路１７と電気的に接続されており、この点火回路１７による給電に応じて上記点火プラグ１６から所定のタイミングで点火用の火花が放電される。

上記シリンダヘッド４には、燃焼室６を吸気側の側方から臨むようにインジェクタ１８が設けられている。エンジンの吸気行程等において上記インジェクタ１８から燃焼室６に対し直接燃料（ガソリンを主成分とする燃料）が噴射されて噴射された燃料が空気と混合することで、燃焼室６に所望の空燃比の混合気が生成される。

以上のように構成されたエンジン本体１においては、ピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５の行程容積とに基づき定まる幾何学的圧縮比は１８に設定されている。

上記エンジン本体１の吸気ポート９および排気ポート１０には、吸気通路２０および排気通路２１がそれぞれ接続されている。すなわち、燃焼用の空気（新気）が上記吸気通路２０を通じて燃焼室６に供給されるとともに、燃焼室６で生成された既燃ガス（排気ガス）が上記排気通路２１を通じて外部に排出されるようになっている。

上記過給機２５は、吸気通路２０に設けられたコンプレッサ２６と、排気通路２１に設けられたタービン２７と、これらコンプレッサ２６およびタービン２７どうしを連結する連結軸２８とを有している。そして、上記タービン２７が排気ガスのエネルギーを受けて回転すると、これと連動してコンプレッサ２６が高速回転することにより、上記吸気通路２０を通過する新気が加圧されて燃焼室６へと圧送される。

上記排気通路２１には、タービン２７をバイパスするためのバイパス通路３３と、バイパス通路３３を開閉する電動式のウェイストゲートバルブ３４が設けられている。そして、ウェイストゲートバルブ３４が作動してバイパス通路３３が開閉されることにより、排気ガスがタービン２７に流入してタービン２７が回転駆動される状態と、排気ガスがタービン２７をバイパスしてタービン２７の回転が停止される状態とに切り替えられるようになっている。

上記排気通路２１には、排気ガス浄化用の触媒コンバータ３２が設けられている。触媒コンバータ３２には三元触媒が内蔵されており、排気通路２１を通過する排気ガス中の有害成分が上記三元触媒の作用により浄化されるようになっている。

（２−２）制御系
以上のように構成されたエンジンには、その動作を統括的に制御する制御手段として、従来周知のＣＰＵやメモリー等からなるＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）４０が設けられている。

上記ＥＣＵ４０は、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、上記ＥＣＵ４０には、クランク軸７の回転速度すなわちエンジンの回転数を検出するエンジン回転数センサ５１と、吸気通路２０を通過する新気の量を検出するエアフローセンサ５２と、運転者により踏み込み操作される図外の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５３とが電気的に接続されており、これら各センサ５１〜５３による検出値が電気信号として上記ＥＣＵ４０にそれぞれ入力されるようになっている。

また、上記ＥＣＵ４０は、上記ＶＶＬ１４、ＶＶＴ１５、点火回路１７、インジェクタ１８、スロットル弁２２、およびウェイストゲートバルブ３４とも電気的に接続されており、これらの装置にそれぞれ駆動用の制御信号を出力するように構成されている。

上記ＥＣＵ４０が有するより具体的な機能について説明すると、上記ＥＣＵ４０は、その主な機能的要素として、バルブ制御手段４１、過給制御手段４２、インジェクタ制御手段４３、および点火制御手段４４を有している。

上記バルブ制御手段４１は、上記ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５を駆動して吸排気弁１１，１２のリフト特性（開閉タイミングおよびリフト量）を可変的に設定するものである。より具体的に、バルブ制御手段４１は、上記のように吸排気弁１１，１２のリフト特性を変更することにより、エンジンの有効圧縮比を制御する機能を有している。

上記バルブ制御手段４１がエンジンの有効圧縮比を制御する際には、例えば図６に示すような態様で吸気弁１１のリフト特性を変化させる。すなわち、図６の実線波形に示すように、吸気弁１１が吸気下死点の遅角側の近傍（吸気下死点をわずかに過ぎたタイミング）で閉じられ状態では、有効圧縮比が幾何学的圧縮比（当実施形態では１８）と一致する。一方、図６の破線波形に示すように、吸気弁１１が吸気下死点よりもさらに遅角側で閉じられたよりも遅く設定された状態では、圧縮行程の実質的な開始時期が遅らされることでエンジンの実質的な圧縮比（有効圧縮比）が低下する。上記バルブ制御手段４１は、上記吸気弁１１の閉時期を遅らさせる量（リタード量）を増減させることにより、エンジンの有効圧縮比を可変的に設定する。

なお、図６では、吸気弁１１用のＶＶＴ１５を作動させて吸気弁１１の動作タイミング（開弁および閉弁タイミング）を図６の破線に示すように遅角側にずらした場合を例示している。このように、ＶＶＴ１５のみを作動させた場合には、吸気弁１１の閉時期だけでなく、吸気弁１１の開時期も変更される。そこで、本実施形態では、吸気弁１１の開時期が変更されないように、ＶＶＴ１５とともにＶＶＬ１４を作動させる。

上記インジェクタ制御手段４３は、上記インジェクタ１８から燃焼室６に噴射される燃料の噴射時期や噴射量（噴射時間）を制御するものである。より具体的に、上記インジェクタ制御手段４３は、上記エアフローセンサ５２から入力される吸入空気量（新気量）等の情報に基づいて、所定の空燃比を得るための燃料の目標噴射量を演算する。そして、その目標噴射量に応じた時間だけ上記インジェクタ１８を開弁させることにより、筒内の空燃比を制御する。当実施形態において、上記インジェクタ制御手段４３は、理論空燃比に対する空気過剰率λが後述するＨＣＣＩ燃焼領域ではλ＝２．４に維持されるように、一方、後述するＳＩ燃焼領域ではλ＝１．０に維持されるように、インジェクタ１８からの燃料の噴射量を制御する。ここで、本実施形態では、燃料と空気のミキシング時間を十分に確保するために、上記インジェクタ制御手段４３は吸気行程中に燃料を噴射するようインジェクタ１８の噴射時期を制御する。

上記過給制御手段４２は、上記ウェイストゲートバルブ３４を開閉駆動することにより、運転状態に応じた適正な過給圧すなわち新気量が得られるように過給機２５を制御するものである。

上記点火制御手段４４は、上記点火回路１７から点火プラグ１６への給電を制御することにより、点火プラグ１６による混合気への火花放電のタイミング等を制御するものである。

（２−３）制御の具体例
次に、以上のように構成されたＥＣＵ４０により、エンジンが負荷および回転数に応じてどのように制御されるかを具体的に説明する。

図７は、上記ＥＣＵ４０がエンジンを制御する際に参照する制御マップを示す図である。この図７においてエンジン負荷が低くエンジンの回転数が低い低負荷・低回転領域に設定されたＨＣＣＩ領域ＡはＨＣＣＩ燃焼が実行される運転領域であり、低負荷・高回転領域に設定された第１ＳＩ領域Ｂ１およびエンジン負荷の高い高負荷領域に設定された第２ＳＩ領域Ｂ２はＳＩ燃焼が実行される運転領域である。より詳細には、エンジン負荷が所定値Ｑ１以下の領域においてエンジン回転数の低い領域がＨＣＣＩ領域Ａに設定されており、このＨＣＣＩ領域Ａと同じ負荷領域であってＨＣＣＩ領域Ａよりもエンジン回転数の高い領域が第１ＳＩ領域Ｂ１に設定されている。そして、これらＨＣＣＩ領域Ａおよび第１ＳＩ領域Ｂ１よりもエンジン負荷の高い領域が第２ＳＩ領域Ｂ２に設定されている。

前述のように、エンジン回転数が高い高回転領域では高温高圧時間が十分に確保できずＨＣＣＩ燃焼では失火が生じる。そのため、本エンジンでは、同じ負荷領域であっても、低回転領域ＡでのみＨＣＣＩ燃焼を実行して高回転領域Ｂ１ではＳＩ燃焼を実行して、ＨＣＣＩ燃焼による燃費性能の向上を図りつつ失火をより確実に回避する。

また、前述のように、ＭＢＴでＨＣＣＩ燃焼を実行するためには、負荷が低くなるほど圧縮端圧力Ｐｘを下げるとともに圧縮端温度Ｔｘを高める必要がある。換言すると、負荷が高くなるほど圧縮端温度Ｔｘを下げつつ圧縮端圧力Ｐｘを上げる必要がある。ここで、負荷が高くなると新気量が増大するに伴い圧縮端圧力Ｐｘはある程度増加する。しかしながら、図５のグラフに示されるように、所定値Ｑ１以上の高負荷領域（図５のグラフではラインＭ２で示される負荷がＩＭＥＰ９００程度以上の高負荷領域）では、ＭＢＴで自着火するために必要な圧縮端圧力Ｐｘの値が従来の過給機の過給性能で得られる圧力よりも非常に高い。そのため、このような高負荷領域においてＭＢＴで自着火させるためには、過給機の構造の変更等が必要になる。そこで、本エンジンでは、上記高負荷領域では、ＨＣＣＩ燃焼を停止してＳＩ燃焼を実施することで、従来のシステム構成を変更することなく、高いエンジン出力を確保する。

上記インジェクタ制御手段４３、点火制御手段４４および上記バルブ制御手段４１は、このエンジンの運転領域すなわちエンジンの回転数と負荷とに応じて、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とが適正に行われるように、燃焼室内の空気過剰率、点火タイミング等およびエンジンの有効圧縮比ε’をそれぞれ制御する。また、過給制御手段４３は、上記ウェイストゲートバルブ３４を開閉駆動して新気を適正に加圧して各負荷において必要な量の新気を燃焼室に導入する。

具体的には、上記インジェクタ制御手段４３は、低負荷低回転領域に設定されたＨＣＣＩ燃焼領域Ａでは、燃焼室に導入される新気量に対して空気過剰率λ＝２．４となる量の燃料が噴射されるよう上記インジェクタ１８を駆動する。一方、上記第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１および第２燃焼領域Ｂ２では、燃焼室に導入される新気量に対して空気過剰率λ＝１．０となる量の燃料が噴射されるよう上記インジェクタ１８を駆動する。

上記点火制御手段４４は、上記ＨＣＣＩ燃焼領域Ａでは点火プラグ１６による混合気の点火を停止させる。一方、上記第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１および第２燃焼領域Ｂ２では点火プラグ１６による混合気の点火を行う。

上記バルブ制御手段４１は、ＨＣＣＩ燃焼領域Ａでは、負荷が低下するほど有効圧縮比ε’が高くなるようにＶＶＴ１５およびＶＶＬ１４を制御する。一方、低負荷・回転領域に設定されたＳＩ燃焼領域Ｂ１では、負荷が低下するほど有効圧縮比ε’が低くなるようにＶＶＴ１５およびＶＶＬ１４を制御する。

前述のように、ＭＢＴでのＨＣＣＩ燃焼を実現するためには、負荷が低下するほど有効圧縮比ε’を高める必要がある。そこで、上記バルブ制御手段４１は、このＨＣＣＩ燃焼領域Ａにおいて、負荷が低下するほど有効圧縮比ε’が高くなるようにＶＶＴ１５およびＶＶＬ１４を制御する。具体的には、吸気弁１１の閉時期を吸気下死点から大幅に遅角させたタイミングから、負荷の低下に伴い吸気弁１１の閉時期を進角させて吸気下死点に近づくようにＶＶＴ１５等を制御する。図８に、図７のＵ１で示すラインに沿った有効圧縮比ε’の変化を示す。本実施形態では、この図８に示すように、エンジンの負荷がＩＭＥＰ９００付近において吸気弁１１の閉時期を６５℃Ａとして有効圧縮比ε’を１４程度に制御する。そして、負荷の低下ととともに上記吸気弁１１の閉時期を進角させていき、無負荷付近においてこの閉時期を０℃Ａとして有効圧縮比ε’を幾何学的圧縮比と同じ１８程度に制御する。

このように、本エンジンでは、負荷の低下とともに有効圧縮比ε’を高めることでエンジンの圧縮端温度Ｔｘが高められて、ＭＢＴでのＨＣＣＩ燃焼が実現される。特に、エンジンの圧縮端温度Ｔｘが低いことにより生じる失火が確実に回避されつつ、ＨＣＣＩ燃焼の実現に伴う燃費性能の改善が実現される。

ここで、上記有効圧縮比ε’を高めると、吸気および圧縮にかかる仕事量が増加していわゆるポンピングロスが増加する。そのため、上記第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１においても、ＨＣＣＩ燃焼領域Ａと同様に負荷の低下に伴い有効圧縮比ε’を高めたのでは、ポンピングロスの増加により燃費性能が悪化する。もちろん、ＨＣＣＩ燃焼においても、有効圧縮比ε’の増加に伴う燃費悪化は生じるが、ＭＢＴでのＨＣＣＩ燃焼の実現による燃費性能の向上の効果が高く、全体として燃費性能を改善することができる。しかしながら、ＳＩ燃焼では、ポンピングロスの燃費性能への影響が大きく、有効圧縮比ε’の増加により燃費性能が悪化する。特に、エンジン出力の小さい低負荷領域では、ポンピングロスの影響が大きい。

そこで、本エンジンでは、上記第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１では、ＨＣＣＩ燃焼領域Ａに比べて全体の有効圧縮比ε’を低く抑えるとともに負荷の低下に伴い有効圧縮比ε’を低くしてポンピングロスを小さく抑えることで燃費性能を向上させる。図９に、図７のＵ２で示すラインに沿った有効圧縮比ε’の変化を示す。本実施形態では、この図９に示すように、エンジンの負荷がＩＭＥＰ９００ｋＰａ付近においてはＨＣＣＩ燃焼時と同様に吸気弁１１の閉時期を６５℃Ａとして有効圧縮比ε’を１４程度に制御する一方、負荷の低下ととともにこの閉時期を遅角させていき、無負荷付近においてこの閉時期を９０℃Ａとして有効圧縮比ε’を１０．５程度にまで低下させる。

このように、本エンジンでは、同じ低負荷領域であっても、ＨＣＣＩ燃焼を行う低回転領域Ａでは、負荷の低下とともに有効圧縮比ε’を高めてＭＢＴによるＨＣＣＩ燃焼を実現させて燃費性能を高め、ＳＩ燃焼を行う高回転領域Ｂ１では、負荷の低下とともに有効圧縮比ε’を低下させてポンピングロスを低減させて燃費性能を高め、これらにより低負荷領域全体での燃費性能を向上させている。

なお、高負荷領域での上記第２ＳＩ燃焼領域Ｂ２では、有効圧縮比ε’＝１４一定とする制御を行う。ここで、有効圧縮比ε’を高めればエンジンの出力を高めることができるが、ε’を１４以上といった高い値とすると、ＳＩ燃焼においてはノッキングが生じる可能性がある。そこで、本実施形態では、上記高負荷領域Ｂ２においてノッキングを回避しつつエンジンの出力を確保するべく有効圧縮比ε’＝１４一定とする。

次に、上記ＨＣＣＩ燃焼領域Ａから上記第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１への移行時に実施する制御について説明する。

前述のように、低回転側のＨＣＣＩ燃焼領域Ａにおいて設定された有効圧縮比ε’の方が高回転側の第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１において設定された有効圧縮比ε’よりも高い値に設定されている。そのため、この第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１からＨＣＣＩ燃焼領域Ａへの移行時には、有効圧縮比ε’を高い側に変更するべく上記バルブ制御手段４１により吸気弁１１の閉時期を即時に進角させる必要がある。

しかしながら、吸気弁１１の閉時期を変更させるために駆動されるＶＶＴ１５の駆動速度には限界があり、図１０に示すように、上記移行時において、有効圧縮比ε’は所定期間をかけて第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１側の値からＨＣＣＩ燃焼領域Ａ側の高い有効圧縮比ε’に移行する。すなわち、上記移行直後は、有効圧縮比ε’が十分に高められておらずＨＣＣＩ燃焼を実現するために十分な圧縮端圧力Ｐｘが確保されていない状態となる。そのため、このような状態で、図１０の破線で示すように点火プラグ１６による混合気の点火が停止すると失火するおそれがある。

そこで、本エンジンでは、上記第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１からＨＣＣＩ燃焼領域Ａへの移行時には、所定期間、点火プラグ１６による混合気の点火を行い燃焼を促進させることで失火を回避する。

本実施形態では、図１０の実線で示すように、有効圧縮比ε’が上記ＨＣＣＩ燃焼用に設定された有効圧縮比ε’に到達するまで、すなわち、吸気弁１１の閉時期がＨＣＣＩ燃焼用に設定されたタイミングとなるまでの間、点火信号を出力して点火プラグ１６による混合気の点火を持続させる。これにより、ＨＣＣＩ燃焼領域Ａと第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１とで有効圧縮比ε’を異なる値としてこれら領域全体での燃費性能を高めつつ、移行時の失火を回避することができる。ここで、有効圧縮比ε’の値すなわち吸気弁１１の実際の閉時期は、吸気弁１１を駆動するカムシャフトの位相を検出するために設けられているカム角センサの値等から算出すればよい。

以上説明したように、当実施形態のエンジンでは、低負荷領域において低回転領域でＨＣＣＩ燃焼を実施する一方高回転領域でＳＩ燃焼を実施しておりＨＣＣＩ燃焼を確実に実施することができるとともに、ＨＣＣＩ燃焼を行う低回転領域Ａにおいて負荷の低下とともに有効圧縮比ε’を高める一方、ＳＩ燃焼を行う高回転領域Ｂ１において負荷の低下とともに有効圧縮比ε’を低下させており、失火等を回避して低回転領域Ａでの適正なＨＣＣＩ燃焼を実現するとともに高回転領域Ｂ１でのポンピングロスを低減させることができ、全体の燃費性能を高めることができる。

また、ＨＣＣＩ燃焼領域Ａの有効圧縮比ε’を第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１よりも高めて、ＨＣＣＩ燃焼の失火をより確実に回避し、かつ、第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１でのポンピングロスを小さく抑えるとともに、この有効圧縮比ε’が互いに異なるＳＩ燃焼領域からＨＣＣＩ燃焼領域への移行時において、移行後であっても点火プラグ１６による混合気の点火を持続させて火花点火により燃焼をアシストすることでこの移行に伴う失火を確実に回避することができる。

なお、上記実施形態では、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とを回転数に応じて異ならせる負荷領域すなわちＨＣＣＩ燃焼領域Ａおよび第１ＳＩ燃焼領域Ｂ１を、無負荷領域から所定負荷領域（ＩＭＥＰ９００ｋＰａ）までの間に設定したが、これに限らず、例えば、高過給装置を用いる等によりＨＣＣＩ燃焼を高負荷領域まで実施して全負荷領域にわたって低回転側でＨＣＣＩ燃焼を実施し高回転側でＳＩ燃焼を実施するようにしてもよい。

なお、上記実施形態では、ＨＣＣＩ燃焼領域Ａにおける理論空燃比に対する空気過剰率λをλ＝２．４に設定することにより、燃焼により生じるＮＯｘ量（生のＮＯｘ量）自体を十分に小さくし、ＮＯｘ触媒を省略しても排ガス規制を十分に満足できるようにしたが、ＮＯｘ触媒を設けることが可能であれば、空気過剰率λを２．４より小さくしてもよい。ただし、ＮＯｘ触媒を設けたとしても、将来的に予想される厳しい排ガス規制をも十分に満足するには、空気過剰率λを少なくともλ≧２に設定すべきである。図１を用いて説明したように、空気過剰率λが２以上であれば、生成されたＮＯｘをＮＯｘ触媒で浄化することにより、その排出量を十分なレベルまで抑制することが可能である。

また、上記実施形態では、ＳＩ燃焼領域Ｂ１，Ｂ２における理論空燃比に対する空気過剰率λ＝１．０に設定した場合を説明したが、例えば、多重点火を行う等により火炎核のエネルギーを増大させることで失火を回避可能とした場合には、空気過剰率λを２以上としてもよい。

また、上記実施形態では、エンジンの幾何学的圧縮比を１８としたが、これ以外の圧縮比に設定してもよい。ただし、図４のグラフにおいて、常温で大気圧の新気を圧縮比１６〜１８で圧縮した場合の温度・圧力の範囲を示す領域Ｗが、上記ＭＢＴでの圧縮自己着火燃焼の実現のための条件を示すラインＬ１上に位置していることから、幾何学的圧縮比を少なくとも１６以上に設定すれば、その圧縮比１６を最大値として有効圧縮比ε’を適宜変化させることにより、上記実施形態と同様に、各負荷で適正な圧縮自己着火燃焼を行わせることが可能と考えられる。このため、幾何学的圧縮比は少なくとも１６以上に設定するとよい。

また、ＳＩ燃焼領域からＨＣＣＩ燃焼領域への移行時において実施する火花点火を所定期間持続させる制御において、この火花点火を持続させる所定期間は上記に限らない。すなわち、この所定期間を上記のように有効圧縮比ε’がＨＣＣＩ燃焼用の有効圧縮比ε’となるまでの期間とせずに、予め設定された一定時間としてもよい。

６燃焼室
１１吸気弁
１６点火プラグ
１８インジェクタ
４０ＥＣＵ（制御手段）
ε’ 有効圧縮比

Claims

燃焼室内の混合気を点火可能な点火プラグを有する火花点火式エンジンの制御装置であって、
エンジンの負荷が所定値以下の低負荷領域において、当該エンジンの低回転領域では圧縮自己着火燃焼を行わせる一方、当該エンジンの高回転領域では上記点火プラグによる混合気の点火によって火花点火燃焼を行わせるようにエンジンの各部を制御する制御手段を備え、
上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる低回転低負荷領域では負荷が低くなるほどエンジンの有効圧縮比を高くする一方、上記火花点火燃焼を行わせる高回転低負荷領域では負荷が低くなるほどエンジンの有効圧縮比を低くすることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
請求項１に記載の火花点火式エンジンの制御装置であって、
エンジン本体の幾何学的圧縮比が１６以上に設定されていることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
請求項１または２に記載の火花点火式エンジンの制御装置であって、
上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域全域において、上記燃焼室内の理論空燃比に対する空気過剰率λをλ≧２に設定することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式エンジンの制御装置であって、
上記制御手段は、上記低負荷領域の少なくとも一部の負荷領域において、上記圧縮自己着火燃焼を行なわせる低回転領域のエンジンの有効圧縮比を、同一負荷で上記火花点火燃焼を行なわせる高回転領域のエンジンの有効圧縮比よりも高くするとともに、上記火花点火燃焼を行わせる高回転領域から上記圧縮自己着火燃焼を行わせる低回転領域への移行時において、当該移行後の所定期間、上記点火プラグによる混合気の点火を持続させることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
請求項４に記載の火花点火式エンジンの制御装置であって、
上記制御手段は、上記火花点火燃焼を行わせる高回転領域から上記圧縮自己着火燃焼を行わせる低回転領域への移行後、エンジンの有効圧縮比が上記圧縮自己着火燃焼を行わせる低回転領域に対して設定された値となるまでの期間、上記点火プラグによる混合気の点火を持続させることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。