JP4877857B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼モードとして圧縮着火燃焼モードを有する内燃機関の制御装置に関し、特に、圧縮着火燃焼モードにおいて、低温ガスおよび高温ガスを成層化し、自己着火によって燃焼させる内燃機関の制御装置に関する。

従来のこの種の制御装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この制御装置では、圧縮着火燃焼モード時に、排気弁の閉弁タイミングを進角側に変更するとともに、吸気弁の開弁タイミングを遅角側に変更することにより、排気弁が完全に閉弁した後に吸気弁が開弁する、いわゆる排気弁と吸気弁との負のオーバーラップによって、気筒内に既燃ガスを高温ガスとして残留させる。また、圧縮着火燃焼モード時には、吸気通路に設けられたスワール弁を全閉に制御し、気筒内に新気のスワールを発生させる。これにより、既燃ガスを気筒内の中央に分布させ、それを取り囲むように、新気を既燃ガスよりも低温の低温ガスとして分布させ、既燃ガスと新気が成層化される。

また、この制御装置では、吸気行程の初期または圧縮行程の初期において、新気の層に燃料を噴射するとともに、圧縮上死点付近において、既燃ガスの層に燃料を噴射する。この既燃ガス層への燃料の噴射に伴い、まず既燃ガス層内の燃料が噴射された付近から自己着火による燃焼が開始され、それにより新気層の圧力および温度が上昇することによって、その後、新気層においても自己着火による燃焼が開始される。

特開２００１−３２３８２８号公報

以上のように、従来の内燃機関の制御装置では、既燃ガス層への燃料の噴射を圧縮上死点付近で行っている。圧縮上死点付近では、既燃ガス層の温度が極めて高い温度まで上昇するため、既燃ガス層に噴射された燃料の燃焼がすぐに開始される。このため、燃焼状態が急激に変化しやすく、ドライバビリティが悪化する。また、気筒内が非常に高温の状態で燃料が噴射されるので、燃焼温度が高くなりやすく、その場合には、排ガス特性が悪化する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、圧縮着火燃焼モードにおいて、気筒内の燃料の濃度を適切に制御し、自己着火による燃焼を安定して行うことによって、ドライバビリティおよび排ガス特性を向上させることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、燃焼モードとして圧縮着火燃焼モードを有するとともに、圧縮着火燃焼モードにおいて内燃機関３を制御する内燃機関３の制御装置１であって、排気行程中に燃料を気筒Ｃ内に供給する第１燃料供給手段（実施形態における（以下、本項において同じ）筒内燃料噴射弁１０）と、吸気行程中に、吸気弁１２を介して新気を気筒Ｃ内に吸入する吸気手段（吸気側動弁機構４０）と、吸気行程中に気筒Ｃ内に燃料を供給することによって、燃料と混合された新気を低温ガスとして生成する第２燃料供給手段（ポート燃料噴射弁９、筒内燃料噴射弁１０）と、吸気行程の終期に排気弁１３の動作を制御することによって、排気通路５に排出された排ガスを、第１燃料供給手段によって供給された燃料とともに、高温ガスとして気筒Ｃ内に再度、吸入する高温ガス吸入手段（ＥＣＵ２、ＥＧＲ吸入機構８０、図８のステップ１１）と、気筒Ｃ内において低温ガスと高温ガスを成層化させる成層化手段（ガイド壁３ｄ、凸部３ｅ）と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮着火燃焼モードにおいて、内燃機関が次のように制御される。まず、第１燃料供給手段によって、排気行程中に燃料を気筒内に供給する。これにより、排気行程中に供給された燃料は、排ガスとともに一旦、排気通路に排出され、排気通路において、排ガスの熱によって十分に暖められ、蒸発し、排ガスに混合される。

また、吸気行程中に、吸気手段によって吸気弁を介して気筒内に新気を吸入するとともに、第２燃料供給手段で気筒内に燃料を供給することによって、燃料と混合された新気を低温ガスとして生成する。さらに、吸気行程の終期には、高温ガス吸入手段で排気弁の動作を制御することによって、排気通路に排出され、燃料が混合された排ガスを高温ガスとして気筒内に再度、吸入する。これらの低温ガスと高温ガスは、成層化手段によって成層化される。そして、成層化された低温ガスおよび高温ガスは、その後の圧縮行程において、自己着火により燃焼する。この燃焼は、より高温の高温ガス層から開始され、それに伴い、低温ガス層の圧力および温度が高められることによって、低温ガス層に至る。このように、圧縮着火燃焼モードでは、自己着火による燃焼が高温ガス層から低温ガス層に伝播するので、自己着火による燃焼を緩慢に行わせることができる。その結果、気筒内の圧力および温度の急激な上昇を回避でき、それにより、排ガス特性を向上させることができる。

さらに、吸気行程における新気の吸入の前の排気行程中に、あらかじめ、第１燃料供給手段からの燃料を排ガスに直接、供給し、排ガスに混合させるので、燃料と排ガスとの混合時間が長く確保されることで、高温ガス層中の燃料の濃度を、より均一化できるとともに、精度良く制御することができる。さらに、第１燃料供給手段からの燃料を排気行程中に供給するので、例えば、この燃料の供給を排気上死点付近で行うことによって、ピストンに付着する燃料の量が多くなる。これにより、燃料が気化するときに発生する潜熱をより多く得ることができ、燃料による排ガスの温度低下を抑制することができる。以上のように、高温ガス層における自己着火による燃焼を適切に制御できる結果、安定した燃焼状態が得られ、それにより、ドライバビリティを向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の制御装置１において、第２燃料供給手段は、気筒Ｃ内に直接、燃料を噴射する筒内燃料噴射弁１０と、筒内燃料噴射弁１０および吸気通路４に燃料を噴射するポート燃料噴射弁９との一方であることを特徴とする。

この構成によれば、吸気行程中に、筒内燃料噴射弁によって、気筒内に直接、燃料を噴射するか、これに加えて、ポート燃料噴射弁によって、吸気通路に燃料を噴射することによって、噴射された燃料が新気に混合される。特に、ポート燃料噴射弁が併用される場合には、燃料と新気との混合時間が長く確保されることで、低温ガス層中の燃料の濃度をより均一化できる結果、自己着火による燃焼をより安定して行うことができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関３の制御装置１において、第１燃料供給手段により供給されると仮定したときに、高温ガスによる高温ガス層Ｔ１中の燃料の濃度が低温ガスによる低温ガス層Ｔ２中の燃料の濃度に等しくなるような燃料量を、第１燃料供給量（第１燃料噴射量ＱＥＸ１）として算出する第１燃料供給量算出手段（ＥＣＵ２、図９のステップ２２）と、第１燃料供給手段により供給されると仮定したときに、高温ガス層Ｔ１中に高温ガスの燃焼に必要な最少限の酸素が存在するような燃料量を、第２燃料供給量（第２燃料噴射量ＱＥＸ２）として算出する第２燃料供給量算出手段（ＥＣＵ２、図９のステップ２３）と、第１燃料供給手段により供給される燃料供給量（排気燃料噴射量ＱＩＮＪＥＸ）を、第１燃料供給量および第２燃料供給量のより小さな一方に決定する燃料供給量決定手段（ＥＣＵ２、図９のステップ２４〜２６）と、をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、排気行程中に第１燃料供給手段により供給される燃料量として、第１燃料供給量および第２燃料供給量が算出される。第１燃料供給量は、高温ガス層中の燃料の濃度が低温ガス層中の燃料の濃度に等しくなるような燃料量であり、第２燃料供給量は、高温ガスの燃焼に必要な最少限の酸素が存在するような燃料量である。

気筒内の燃料の濃度が均一であれば、安定した燃焼状態が得られるものの、例えば燃焼前の気筒内の空燃比が理論空燃比に近い場合には、燃焼後における排ガス中の酸素は少なくなる。このような場合に、例えば、燃料の濃度を均一にするために燃料を排ガスにより多く供給すると、燃焼に必要な酸素が不足することがあり、その場合には、排出される未燃燃料が多くなることで、排ガス特性が悪化する。このような観点に基づき、本発明によれば、排気行程中に気筒内に供給される燃料供給量を、前述したようにして算出した第１燃料供給量および第２燃料供給量のうちの小さな一方に決定する。このため、酸素が不足するような状況においても、燃焼に必要な最少限の酸素を確保でき、未燃燃料の排出を抑制することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関３の制御装置１において、気筒Ｃ内に吸入する高温ガスの量（再吸入ＥＧＲ量ＧＥ）が少ないほど、第１燃料供給手段による燃料の供給時期（排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸ）をより遅いタイミングに設定する燃料供給時期設定手段（ＥＣＵ２、図８のステップ１３）をさらに備えることを特徴とする。

気筒内に再吸入する高温ガスの量が多い場合、排気行程中の早いタイミングで燃料を供給しても、排気通路に排出された燃料は、排気通路から排出されることなく、気筒内に再吸入される。これに対して、再吸入される高温ガスの量が少ない場合において、より早いタイミングで燃料を供給したときには、燃料は、排ガスと一緒に再吸入されることなく、排気通路から大気中に排出されてしまう。このような観点に基づき、本発明によれば、気筒内に吸入される高温ガスの量が少ないほど、排気行程中に供給される燃料の供給時期をより遅いタイミングに設定するので、燃料の大気中への流出を抑制し、燃費および排ガス特性を向上させることができる。

本発明を適用した内燃機関の構成を概略的に示す図である。 制御装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の部分拡大図である。 切替機構の概略構成を示す模式図である。 ピストンの部分拡大斜視図である。 燃焼制御処理を示すメインフローである。 図６の処理で用いられるマップの一例を示す図である。 ＣＩ燃焼制御処理を示すサブルーチンである。 排気燃料噴射量の算出処理を示すサブルーチンである。 排気噴射時期の算出処理を示すサブルーチンである。 図１０の処理で用いられるマップの一例を示す図である。 ＣＩ燃焼モードにおける動作の一例を示す図である。 吸気側動弁機構によって得られる吸気弁のバルブリフト曲線、およびＥＧＲ吸入機構によって得られる排気弁のバルブリフト曲線を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態による制御装置１、およびこれを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３の概略構成を示している。このエンジン３は、＃１〜＃４（１番〜４番）気筒Ｃを有する４気筒のディーゼルエンジンであり、車両（図示せず）に搭載されている。

このエンジン３では、燃焼サイクルの位相が、＃１気筒Ｃ→＃３気筒Ｃ→＃４気筒Ｃ→＃２気筒Ｃ→＃１気筒Ｃの順序で１８０°ずつずれており、気筒Ｃでの燃焼がこの順序で行われる。

エンジン３のシリンダヘッド３ａには、吸気通路４および排気通路５が接続されるとともに、気筒Ｃごとに、筒内燃料噴射弁１０および点火プラグ１１が、燃焼室３ｂに臨むように取り付けられている。この筒内燃料噴射弁１０は、吸気ポート４ａの下側に設けられており、燃焼室３ｂ内に燃料を直接、噴射するように構成された直噴タイプのものである。筒内燃料噴射弁１０の開弁時間および開弁時期は、後述するＥＣＵ２によって制御され、それにより、筒内燃料噴射弁１０による燃料噴射量および燃料噴射時期が制御される。点火プラグ１１の点火時期もまた、ＥＣＵ２によって制御される。

また、エンジン３には、筒内燃料噴射弁１０に加え、ポート燃料噴射弁９が気筒Ｃごとに設けられている。各ポート燃料噴射弁９は、吸気マニホルドの各分岐通路４ｂに取り付けられ、吸気ポート４ａに臨んでいる。このポート燃料噴射弁９の開弁時間および開弁時期もまた、ＥＣＵ２によって制御され、それにより、ポート燃料噴射弁９による燃料噴射量および燃料噴射時期が制御される。

また、このエンジン３では、燃焼モードとして、ポート燃料噴射弁９および筒内燃料噴射弁１０から燃料を吸気行程中に噴射することにより生成された均質混合気を、点火プラグ１１による火花点火によって燃焼させる火花点火燃焼モード（以下「ＳＩ燃焼モード」という）と、後述するように生成された成層混合気を、自己着火によって燃焼させる圧縮着火燃焼モード（以下「ＣＩ燃焼モード」という）とを有し、その切替は、ＥＣＵ２によって制御される。

図１に示すように、排気通路５は、＃１〜＃４気筒Ｃにそれぞれ接続された＃１〜＃４第１排気通路５ａ〜５ｄと、＃１および＃４第１排気通路５ａ，５ｄの合流部と＃２および＃３第１排気通路５ｂ，５ｃの合流部にそれぞれ接続された第２排気通路６ａ，６ｂと、これらの第２排気通路６ａ，６ｂの合流部に接続された第３排気通路７で構成されている。

これらの第２排気通路６ａ，６ｂおよび第３排気通路７にはそれぞれ、フィルタ１４が設けられている。フィルタ１４は、排ガス中の煤などのＰＭを捕集することによって、大気中に排出されるＰＭの量を低減する。

図３に示すように、気筒Ｃには、一対の吸気弁１２，１２および一対の排気弁１３，１３（ともに１つのみ図示）が設けられている。吸気弁１２は、吸気側動弁機構４０によって開閉され、排気弁１３は、排気側動弁機構６０によって開閉される。これらの吸気側動弁機構４０および排気側動弁機構６０の構成は、本出願人が特願２００９−１６８２２８号ですでに提案したものと同様であるので、以下、その概略を簡単に説明する。

吸気側動弁機構４０は、吸気弁１２のリフトおよびバルブタイミングを変更する可変機構で構成されている。なお、吸気弁１２のリフトおよび後述する排気弁１３のリフトはそれぞれ、吸気弁１２および排気弁１３の最大揚程を表すものとする。

吸気側動弁機構４０は、回転自在の吸気カムシャフト４１、吸気カムシャフト４１に一体に設けられた一対の吸気カム４２，４２（１つのみ図示）、吸気コントロールシャフト４３、この吸気コントロールシャフト４３を駆動するアクチュエータ４４（図２参照）、支持軸４７に揺動自在に支持された一対の揺動カム４５，４５（１つのみ図示）、コントロールアーム機構４６、および吸気カム位相可変機構５０などを備えている。この吸気カム位相可変機構５０は、吸気カムシャフト４１のクランクシャフト（図示せず）に対する相対的な位相を無段階に変更するものである。

吸気カムシャフト４１は、吸気スプロケットおよびタイミングチェーン（いずれも図示せず）を介して、クランクシャフトに連結されており、クランクシャフトが２回転するごとに１回転する。

コントロールアーム機構４６は、コントロールアーム４６ａ、ローラ４６ｂおよび吸気ロッカアーム４６ｃなどを備えている。コントロールアーム４６ａは、基端部において、吸気コントロールシャフト４３の偏心軸４３ａに回動自在に支持されている。コントロールアーム４６ａの他端部には、ローラ４６ｂが設けられている。コントロールアーム４６ａは、ローラ４６ｂを介して揺動カム４５に当接している。

吸気ロッカアーム４６ｃは、吸気コントロールシャフト４３に回動自在に支持された本体部４６ｄと、本体部４６ｄから延びる延出部４６ｅなどを備えており、延出部４６ｅにおいて、ローラ４６ｂと吸気弁１２に当接している。

以上の構成により、揺動カム４５が吸気カム４２で押圧されていない状態では、吸気弁１２は図３に示す閉弁位置に保持される。また、吸気カムシャフト４１の回転に伴い、揺動カム４５が吸気カム４２で押圧されると、揺動カム４５は、支持軸４７を中心として、図３の反時計方向に回動する。その際、ローラ４６ｂが揺動カム４５で押圧されることによって、ローラ４６ｂを介して吸気ロッカアーム４６ｃが吸気コントロールシャフト４３を中心として、図３の反時計方向に回動し、吸気弁１２を下方に押し下げることによって、吸気弁１２が開弁する。

また、前述したアクチュエータ４４を介して吸気コントロールシャフト４３を回動させると、コントロールアーム４６ａが、偏心軸４３を中心として図３の左右方向に移動する。この移動に伴い、コントロールアーム４６ａの揺動カム４５への当接位置が変更され、それにより、吸気弁１２のリフトおよびバルブタイミングが無段階に変更される。

前述した排気側動弁機構６０は、回転自在の排気カムシャフト６１、排気カムシャフト６１に一体に設けられた一対の排気カム６２，６２（１つのみ図示）、排気コントロールシャフト６３、この排気コントロールシャフト６３に回動自在に支持されるとともに、排気弁１３，１３の上端にそれぞれ当接する一対のロッカアーム６４，６４（１つのみ図示）、ロッカアーム６４に設けられたローラ６５、および排気カム位相可変機構７０などを備えている。この排気カム位相可変機構７０は、排気カムシャフト６１のクランクシャフトに対する相対的な位相を無段階に変更するものである。

排気カムシャフト６１は、排気スプロケットおよびタイミングチェーンを介して、クランクシャフト（いずれも図示せず）に連結されており、クランクシャフトが２回転するごとに１回転する。排気カムシャフト６１が回転すると、ロッカアーム６４，６４が排気カム６２で押圧され、排気コントロールシャフト６３を中心として、図３の時計方向に回動することにより、排気弁１３，１３が開弁する。

また、エンジン３は、排ガスを気筒Ｃ内に再度、吸入させるためのＥＧＲ吸入機構８０を備えている。

このＥＧＲ吸入機構８０は、吸気行程から圧縮行程までの間の所定期間において、排気弁１３を開弁することによって、排気通路５の第１排気通路５ａ〜５ｄに一旦、排出された排ガスを気筒Ｃ内に再吸入するものである。図３および図４に示すように、ＥＧＲ吸入機構８０は、２つの吸気カム４２，４２の間に設けられ、吸気カムシャフト４１と一体のＥＧＲカム８１、支持軸４７に回動自在に支持されたロッカカム８２、コントロールアーム８３、レバー８４、および切替機構８５などを備えている。ＥＧＲカム８１は、ロッカカム８２のローラ８２ａに当接している。

コントロールアーム８３は、基端部において、排気コントロールシャフト６３の偏心軸６３ａに回動自在に支持されている。コントロールアーム８３の他端部には、ローラ８３ａが設けられている。コントロールアーム８３は、ローラ８３ａを介してロッカカム８２に当接している。

レバー８４は、２つのロッカアーム６４，６４の間に設けられている。レバー８４は、三角形状を有しており、その頂角部において、排気コントロールシャフト６３に回動自在に支持されており、一方の底角部において、コントロールアーム８３の押圧部８３ｂに当接している。

以上の構成により、吸気カムシャフト４１の回転に伴い、ローラ８２ａがＥＧＲカム８１で押圧されると、ロッカカム８２は、支持軸４７を中心として、図３の時計方向に回動する。その際、コントロールアーム８３のローラ８３ａがロッカカム８２で押圧されることによって、コントロールアーム８３が排気コントロールシャフト６３を中心として、図３の時計方向に回動し、それに伴って、押圧部８３ｂがレバー８４を押圧する。これにより、レバー８４は、排気コントロールシャフト６３を中心として、図３の時計方向に回動する。

図４に示すように、切替機構８５は、ロッカアーム６４，６４およびレバー８４に形成されたシリンダ８６ａ〜８６ｃ、シリンダ８６ａ〜８６ｃに収容された連結ピストン８７，８８などで構成されている。シリンダ８６ａには、連結ピストン８７，８８を反対側のシリンダ８６ｃ側に付勢する戻しばね８９が設けられている。さらに、シリンダ８６ｃには、排気コントロールシャフト６３に形成された油路（図示せず）を介して、油圧が供給される。このシリンダ８６ｃへの油圧の供給は、ＥＣＵ２により、ポンプ（図示せず）から油路への油圧の供給・停止を制御することによって、行われる。

以上の構成により、シリンダ８６ｃに油圧が供給されていない状態では、戻しばね８９の付勢力によって、連結ピストン８７がシリンダ８６ｂに収容され、連結ピストン８８がシリンダ８６ｃに収容される（図４（ａ））。これにより、ロッカアーム６４とレバー８４が互いに遮断され、フリーな状態になることによって、レバー８４の動きは、ロッカアーム６４には伝達されず、レバー８４のみがＥＧＲカム８１によって駆動される。

一方、シリンダ８６ｃに油圧が供給されると、この油圧により、連結ピストン８７，８８が戻しばね８９の付勢力に抗してシリンダ８６ａ側に移動することによって、連結ピストン８７がシリンダ８６ａとシリンダ８６ｂにまたがった状態で係合し、連結ピストン８８がシリンダ８６ｂとシリンダ８６ｃにまたがった状態で係合する（図４（ｂ））。これにより、レバー８４とロッカアーム６４が連結され、ＥＧＲカム８１の動きがレバー８４を介してロッカアーム６４に伝達されることによって、排気弁１３が開弁される。

このＥＧＲ吸入機構８０による排気弁１３のリフトおよびバルブタイミングは、吸気弁１２のリフトおよびバルブタイミングに連動している。より詳細には、吸気弁１２のリフトが大きいほど、排気弁１３のリフトはより小さくなり、また、吸気弁１２の閉弁タイミングが遅いほど、排気弁１３の開弁タイミングはより遅くなる（図１３参照）。さらに、後述する要求トルクＰＭＣＭＤが大きいほど、吸気弁１２のリフトはより大きくなり、また吸気弁１２の閉弁タイミングはより遅くなる。

また、排気弁１３のリフトＬＦＴは、リフトセンサ２６によって検出され、それを表す検出信号がＥＣＵ２に出力される。

また、シリンダヘッド３ａには、複数のガイド壁３ｄが取り付けられている。図３に示すように、ガイド壁３ｄは、＃１〜＃４排気ポート８ａ〜８ｄのそれぞれの開口にその周方向の一部にわたって延びるとともに、燃焼室３ｂ内に突出している。各ガイド壁３ｄは、吸気ポート４ａ側に配置されており、その長さは＃１〜＃４排気ポート８ａ〜８ｄの開口の半径よりも小さい。また、ガイド壁３ｄの突出高さは、排気弁１３のリフトとほぼ同じであり、例えば２〜３ｍｍに設定されている。

図５に示すように、ピストン３ｃの頂面には、凸部３ｅが形成されている。この凸部３ｅは、その中心が吸気弁１２側になるように配置されている。また、凸部３ｅの吸気弁１２側の縁部３ｇはほぼ直線状に形成されているのに対して、排気弁１３側の縁部３ｈは、吸気弁１２側にくぼんだ状態で湾曲している。

以上の構成により、ＣＩ燃焼モードにおいて、ＥＧＲ吸入機構８０により排気弁１３が開弁されると、排気通路５に排出された排ガスは、排気弁１３を介して気筒Ｃ内に再吸入される。このとき、排ガスは、ガイド壁３ｄによって、排気弁１３側の内壁に沿うように下方に案内されながら気筒Ｃ内に吸入されるとともに、ピストン３ｃの凸部３ｅによって、吸入された排ガスの吸気弁１２側への流出が阻止される。その結果、排ガスは、図１に実線Ａで示すように気筒Ｃ内に流入する。これにより、気筒Ｃ内の排気弁１３側には、より高温の排ガスによる高温ガス層Ｔ１が形成され、吸気弁１２側には、より低温の新気による低温ガス層Ｔ２が形成されることによって、新気と排ガスが成層化される。

また、ＥＧＲ吸入機構８０によって排気弁１３が開弁する気筒Ｃに対して燃焼サイクルの位相が３６０°ずれた、排気行程にある気筒Ｃから、第１排気通路５ａ〜５ｄを介して圧力が導入される。例えば、＃１気筒Ｃと＃４気筒Ｃの位相が互いに３６０°ずれているため、＃１気筒Ｃが吸気行程から圧縮行程の間にあるときに、＃４気筒Ｃは、膨張行程から排気行程の間にある。このため、＃１気筒Ｃに排ガスを再吸入する場合、＃４気筒Ｃから排出される排ガスの圧力によって、＃１気筒Ｃへの排ガスの再吸入を適切に行わせることができる。

また、エンジン３には、クランク角センサ２１が設けられている。このクランク角センサ２１は、クランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＫＲ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定クランク角（例えば３０°）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。また、ＴＤＣ信号は、いずれかの気筒Ｃにおいてピストン３ｃが吸気行程の開始時の上死点よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、本実施形態のようにエンジン３が４気筒の場合には、クランク角１８０゜ごとに出力される。

吸気通路４には、上流側から順に、吸気温センサ２２およびエアフローセンサ２３が設けられている。吸気温センサ２２は、吸気通路４内の温度（以下「吸気温」という）ＴＡを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。エアフローセンサ２３は、エンジン３に吸入される新気量ＧＡＩＲを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、エンジン３の本体には、水温センサ２４が設けられている。この水温センサ２４は、エンジン３のシリンダブロック３ｆ内を循環する冷却水の温度（以下「エンジン水温」という）ＴＷを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ２５から、車両のアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が出力される。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、前述した各種のセンサ２１〜２５の検出信号などに応じて、エンジン３の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、エンジン３の燃焼モードを、ＳＩ燃焼モードまたはＣＩ燃焼モードに決定するとともに、決定した燃焼モードに応じて、燃焼制御を実行する。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、高温ガス吸入手段、第１燃料供給量算出手段、第２燃料供給量算出手段、燃料供給量決定手段および燃料供給時期設定手段に相当する。

図６は、上述した燃焼制御処理を示すフローチャートである。本処理は、ＴＤＣ信号の発生に同期して実行される。本処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、環境条件フラグＦ＿ＥＮＶが「１」であるか否かを判別する。この環境条件フラグＦ＿ＥＮＶは、自己着火による燃焼に適した温度状態が燃焼室３ｂ内に確保されていると判定されているときに「１」にセットされるものであり、吸気温ＴＡおよびエンジン水温ＴＷがそれぞれの所定温度以上のときに、そのような温度状態が確保されていると判定される。

このステップ１の判別結果がＮＯのときには、自己着火に適した燃焼室３ｂ内の温度状態が確保されていないとして、燃焼モードをＳＩ燃焼モードに決定し、ＳＩ燃焼制御を実行した（ステップ３）後、本処理を終了する。

一方、ステップ１の判別結果がＹＥＳのときには、エンジン３がＣＩ燃焼を実行すべき運転領域（以下「ＨＣＣＩ領域」という）にあるか否かを判別する（ステップ２）。この判別は、図７に示すマップに基づき、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて行われる。このマップでは、ＨＣＣＩ領域は、エンジン回転数ＮＥが低〜中回転域にあり、かつ要求トルクＰＭＣＭＤが低〜中負荷域にある運転領域に設定されている。

このステップ２の判別結果がＮＯで、エンジン３がＨＣＣＩ領域にないときには、燃焼モードをＳＩ燃焼モードに決定し、前記ステップ３でＳＩ燃焼制御を実行した後、本処理を終了する。

このＳＩ燃焼制御は、以下のようにして行われる。まず、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって、燃料噴射量ＱＩＮＪを算出する。次に、エンジン回転数ＮＥが所定値以下で、かつ要求トルクＰＭＣＭＤが所定値以下のときには、燃料噴射量ＱＩＮＪの燃料を筒内燃料噴射弁１０から気筒Ｃに噴射する。一方、それ以外のときには、燃料噴射量ＱＩＮＪに対して所定割合（例えば８０％）の燃料をポート燃料噴射弁９から吸気ポート４ａに噴射し、残りの割合の燃料を筒内燃料噴射弁１０から気筒Ｃに噴射する。なお、要求トルクＰＭＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。

一方、ステップ２の判別結果がＹＥＳで、エンジン３がＨＣＣＩ領域にあるときには、燃焼モードをＣＩ燃焼モードに決定し、ＣＩ燃焼制御を実行した（ステップ４）後、本処理を終了する。

図８は、このＣＩ燃焼制御処理のサブルーチンを示している。本処理では、まずステップ１１において、切替機構８５を駆動し、レバー８４とロッカアーム６４を連結することによって、吸気行程において排気弁１３を開弁可能な状態にする。

次に、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、それぞれの所定のマップ（図示せず）を検索することによって、吸気行程中に噴射する燃料噴射量ＱＩＮＪおよび燃料噴射時期ＴＩＮＪをそれぞれ算出する（ステップ１２，１３）。この燃料噴射時期ＴＩＮＪは、クランク角ＣＡで表される。上記のようにして算出された燃料噴射量ＱＩＮＪは、前述したＳＩ燃焼モードにおける、低回転・低負荷以外の運転状態の場合と同様、ポート燃料噴射弁９および筒内燃料噴射弁１０から所定割合に分けて噴射される。

次いで、排気燃料噴射量ＱＩＮＪＥＸを算出する（ステップ１４）。この排気燃料噴射量ＱＩＮＪＥＸは、排気行程中に噴射する燃料量であり、その算出処理については後述する。次に、排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸを算出し（ステップ１５）、本処理を終了する。この排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸもまた、クランク角ＣＡで表され、その算出処理については後述する。

図９は、排気燃料噴射量ＱＩＮＪＥＸの算出処理のサブルーチンを示している。本処理ではまず、ステップ２１において、次式（１）に従って、再吸入ＥＧＲ量ＧＥを算出する。

ここで、ＧＲＥＳは、ピストン３ｃの排気上死点において、気筒Ｃ内に残留する排ガスの量であり、ＧＥＧＲは、排気通路５に排出され、気筒Ｃ内に再吸入される排ガスの量である。以上から、再吸入ＥＧＲ量ＧＥは、気筒Ｃ内に存在する排ガスの量、すなわち高温ガス層Ｔ１を構成する排ガスの量を表す。なお、ＧＲＥＳは、所定値に設定されており、ＧＥＧＲは、リフトセンサ２６で検出された排気弁１３のリフトＬＦＴに応じて算出される。

次に、吸気量ＧＡＩＲ、ステップ１２で算出した燃料噴射量ＱＩＮＪ、およびステップ２１で算出した再吸入ＥＧＲ量ＧＥを用い、次式（２）に従って、第１燃料噴射量ＱＥＸ１を算出する（ステップ２２）。

ここで、右辺中のＱＩＮＪ／ＧＡＩＲは、低温ガス層Ｔ２中の燃料の濃度を表す。このため、第１燃料噴射量ＱＥＸ１は、高温ガス層Ｔ１中の燃料の濃度が低温ガス層Ｔ２中の燃料の濃度に等しくなるような燃料量である。

次に、再吸入ＥＧＲ量ＧＥを用い、次式（３）に従って、第２燃料噴射量ＱＥＸ２を算出する（ステップ２３）。

ここで、ＬＡＦは、理論空燃比であり、所定値に設定されている。ＬＡＦＡＣＴは、実空燃比であり、吸気量ＧＡＩＲと燃料噴射量ＱＩＮＪとの比（＝ＧＡＩＲ／ＱＩＮＪ）に等しい。また、右辺の（１−ＬＡＦ／ＬＡＦＡＣＴ）は、低温ガス層Ｔ２中の燃料が燃焼したときに、その燃焼ガス中に残存する酸素の割合を表し、この値に再吸入ＥＧＲ量ＧＥを乗算した右辺の分子は、高温ガス層Ｔ１中の酸素量を表す。したがって、この値と理論空燃比ＬＡＦとの比、すなわち第２燃料噴射量ＱＥＸ２は、高温ガス層Ｔ１中に排ガスの燃焼に必要な最少限の酸素が存在するような燃料量である。

次に、上記のようにして算出した第１燃料噴射量ＱＥＸ１が第２燃料噴射量ＱＥＸ２よりも小さいか否かを判別する（ステップ２４）。この判別結果がＹＥＳのときには、第１燃料噴射量ＱＥＸ１を排気燃料噴射量ＱＩＮＪＥＸとして設定し（ステップ２５）、本処理を終了する。

一方、ステップ２４の判別結果がＮＯで、ＱＥＸ１≧ＱＥＸ２のときには、第２燃料噴射量ＱＥＸ２を排気燃料噴射量ＱＩＮＪＥＸとして設定し（ステップ２６）、本処理を終了する。

図１０は、前述した排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸの算出処理のサブルーチンを示している。本処理ではまず、ステップ３１において、前記ステップ２１で算出した再吸入ＥＧＲ量ＧＥに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって、排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸを算出する。

次に、要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、図１１に示すマップを検索することによって、排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸの進角側のリミット値ＴＬＭＴを算出する（ステップ３２）。このリミット値ＴＬＭＴは、燃料の大気中への流出を抑制するために排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸを制限するためのものである。このマップでは、リミット値ＴＬＭＴは、要求トルクＰＭＣＭＤが大きいほど、排気弁１３のリフトが小さく、再吸入ＥＧＲ量ＧＥが少なくなるため、燃料の大気中への流出を抑制するために、より大きな値、すなわちより遅角側に設定されている。これにより、排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸは、より遅いタイミングに設定される。

次いで、上記のようにして算出した排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸがリミット値ＴＬＭＴよりも小さいか否かを判別する（ステップ３３）。この判別結果がＮＯのときには、そのまま本処理を終了する。

一方、ステップ３３の判別結果がＹＥＳで、ＴＩＮＪＥＸ＜ＴＬＭＴのときには、リミット値ＴＬＭＴを排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸとして設定し（ステップ３４）、本処理を終了する。以上により、排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸは、リミット値ＴＬＭＴと排気上死点との間（図１１のハッチングで示す領域）に設定され、この領域内で燃料が噴射される。

次に、図１２を参照しながら、ＣＩ燃焼モードにおいて得られる動作をとりまとめて説明する。まず、排気行程において、排気側動弁機構６０によって排気弁１３が開弁され、排ガスが排気通路５に排出される。また、この排気行程中に、筒内燃料噴射弁１０から気筒Ｃ内に燃料が噴射される。この燃料は、排ガスとともに排気通路５に排出される。そして、排出された燃料が、排気通路５において、排ガスの熱によって十分に暖められ、蒸発し、排ガスに混合されることによって、高温ガスが生成される。

その後の吸気行程において、吸気側動弁機構４０によって吸気弁１２が開弁され、新気が気筒Ｃ内に吸入される。また、この吸気行程中に、ポート燃料噴射弁９および筒内燃料噴射弁１０から気筒Ｃ内に燃料が供給され、この燃料が新気と混合されることによって、低温ガスが生成される。

また、吸気行程の終期にＥＧＲ吸入機構８０によって排気弁１３が開弁されることによって、排気通路５において生成された高温ガスが気筒Ｃ内に再吸入される（同図のハッチング）。以上のようにして生成された低温ガスおよび高温ガスは、ガイド壁３ｄおよび凸部３ｅによって、気筒Ｃ内で高温ガス層Ｔ１と低温ガス層Ｔ２に成層化される。高温ガス層Ｔ１は排気弁１３側に分布し、低温ガス層Ｔ２は吸気弁１２側に分布する。また、その後の圧縮行程において、高温ガス層Ｔ１および低温ガス層Ｔ２が自己着火により燃焼する。この燃焼は、より高温の高温ガス層Ｔ１から開始され、低温ガス層Ｔ２に至る。

以上のように、本実施形態によれば、ＣＩ燃焼モードでは、自己着火による燃焼が高温ガス層Ｔ１から低温ガス層Ｔ２に伝播するので、自己着火による燃焼を緩慢に行わせることができる。その結果、気筒Ｃ内の圧力および温度の急激な上昇を回避でき、それにより、排ガス特性を向上させることができる。

また、吸気行程における新気の吸入の前の排気行程中に、あらかじめ、筒内燃料噴射弁１０からの燃料を排ガスに直接、供給し、混合させるので、燃料と排ガスとの混合時間が長く確保されることで、高温ガス層Ｔ１中の燃料の濃度を、より均一化できるとともに、精度良く制御することができる。さらに、筒内燃料噴射弁１０からの燃料の噴射を排気上死点側で行うので、ピストン３ｃに付着する燃料の量が多くなる。これにより、燃料が気化するときに発生する潜熱をより多く得ることができ、燃料による排ガスの温度低下を抑制することができる。以上のように、高温ガス層Ｔ１における自己着火による燃焼を適切に制御できる結果、安定した燃焼状態が得られ、それにより、ドライバビリティを向上させることができる。

さらに、吸気行程中には、筒内燃料噴射弁１０に加えて、ポート燃料噴射弁９を併用するので、燃料と新気との混合時間が長く確保されることで、低温ガス層Ｔ２中の燃料の濃度をより均一化できる結果、自己着火による燃焼をより安定して行うことができる。

また、排気行程中に筒内燃料噴射弁１０から噴射される燃料量として、第１燃料噴射量ＱＥＸ１および第２燃料噴射量ＱＥＸ２を算出する（ステップ２２，２３）とともに、排気燃料噴射量ＱＩＮＪＥＸを、これらの第１燃料噴射量ＱＥＸ１および第２燃料噴射量ＱＥＸ２のうちの小さな一方に決定するので、燃焼に必要な最少限の酸素を確保でき、未燃燃料の排出を抑制することができる。

また、再吸入ＥＧＲ量ＧＥが少ないほど、リミット値ＴＬＭＴをより進角側に設定する。このため、このリミット値ＴＬＭＴを用いて排気噴射時期ＴＩＮＪＥＸを制限することによって、燃料の大気中への流出を抑制し、燃費および排ガス特性を向上させることができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、高温ガス層Ｔ１と低温ガス層Ｔ２を成層化させるためのガイド壁３ｄを、シリンダヘッド３ａに取り付けているが、これに代えて、排気弁に取り付けてもよい。

また、実施形態では、気筒Ｃ内の排気弁１３側に高温ガス層Ｔ１を形成し、吸気弁１２側に低温ガス層Ｔ２を形成しているが、これに限らず、ガイド壁３ｄなどの構成を変更することにより、例えばシリンダヘッドと反対側に高温ガス層Ｔ１を形成し、シリンダヘッド側に低温ガス層Ｔ２を形成してもよい。

さらに、実施形態では、吸気行程中の燃料の噴射を、筒内燃料噴射弁１０およびポート燃料噴射弁９を併用して行っているが、筒内燃料噴射弁１０のみで行ってもよい。

また、実施形態は、本発明を車両に搭載されたディーゼルエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、ディーゼルエンジン以外のガソリンエンジンなどの各種のエンジンに適用してもよく、また、車両用以外のエンジン、例えば、クランク軸を鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

１制御装置
２ ＥＣＵ（高温ガス吸入手段、第１燃料供給量算出手段、第２燃料供給量算出手段、
燃料供給量決定手段および燃料供給時期設定手段）
３ エンジン
３ｄ ガイド壁（成層化手段）
３ｅ 凸部（成層化手段）
４ 吸気通路
５ 排気通路
９ ポート燃料噴射弁（第２燃料供給手段）
１０ 筒内燃料噴射弁（第１燃料供給手段および第２燃料供給手段）
１２ 吸気弁
１３ 排気弁
４０ 吸気側動弁機構（吸気手段）
８０ ＥＧＲ吸入機構（高温ガス吸入手段）
Ｃ 気筒
ＱＥＸ１ 第１燃料噴射量（第１燃料供給量）
ＱＥＸ２ 第２燃料噴射量（第２燃料供給量）
ＱＩＮＪＥＸ 排気燃料噴射量（燃料供給量）
ＴＩＮＪＥＸ 排気噴射時期（燃料の供給時期）
Ｔ１ 高温ガス層
Ｔ２ 低温ガス層
ＧＥ 再吸入ＥＧＲ量（気筒内に吸入する高温ガスの量）

Claims (4)

1. 燃焼モードとして圧縮着火燃焼モードを有するとともに、当該圧縮着火燃焼モードにおいて内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
   排気行程中に燃料を気筒内に供給する第１燃料供給手段と、
   吸気行程中に、吸気弁を介して新気を気筒内に吸入する吸気手段と、
   前記吸気行程中に前記気筒内に燃料を供給することによって、当該燃料と混合された新気を低温ガスとして生成する第２燃料供給手段と、
   前記吸気行程の終期に排気弁の動作を制御することによって、排気通路に排出された排ガスを、前記第１燃料供給手段によって供給された燃料とともに、高温ガスとして前記気筒内に再度、吸入する高温ガス吸入手段と、
   前記気筒内において前記低温ガスと前記高温ガスを成層化させる成層化手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記第２燃料供給手段は、前記気筒内に直接、燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、当該筒内燃料噴射弁および吸気通路に燃料を噴射するポート燃料噴射弁との一方であることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記第１燃料供給手段により供給されると仮定したときに、高温ガスによる高温ガス層中の燃料の濃度が低温ガスによる低温ガス層中の燃料の濃度に等しくなるような燃料量を、第１燃料供給量として算出する第１燃料供給量算出手段と、
   前記第１燃料供給手段により供給されると仮定したときに、前記高温ガス層中に当該高温ガスの燃焼に必要な最少限の酸素が存在するような燃料量を、第２燃料供給量として算出する第２燃料供給量算出手段と、
   前記第１燃料供給手段により供給される燃料供給量を、前記第１燃料供給量および前記第２燃料供給量のより小さな一方に決定する燃料供給量決定手段と、をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記気筒内に吸入する前記高温ガスの量が少ないほど、前記第１燃料供給手段による燃料の供給時期をより遅いタイミングに設定する燃料供給時期設定手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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