JP5593827B2 - 火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、気筒内の混合気を圧縮して自己着火により燃焼させることが可能に構成された火花点火式エンジンの制御装置に関する。

近年、火花点火式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、気筒内の混合気を圧縮して自己着火により燃焼させる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（以下においては、ＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression-Ignition）燃焼ともいう）という呼称で知られている。この燃焼形態では、一般的な火花点火による燃焼（以下においては、ＳＩ（Spark Ignition）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と共に、エミッション性にも優れる。

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又は２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（換言すれば、内部ＥＧＲ量を増量する）ことで、気筒内の温度を高めるようにしている。

特開２００７−１３２３１９号公報 特開２００７−８５２４１号公報

前述したように、ＨＣＣＩ燃焼を実行する上では、圧縮端温度が自着火条件を満足するようにしなければならない。例えば冷間始動時等においてエンジンの暖機が完了するまでの期間内は、気筒内の温度と気筒内の壁面温度との温度差が大きく、壁面への放熱量が増大してしまうから、圧縮端温度は当然に自着火条件を満足しなくなる。このため、エンジンの未暖機状態においては、ＨＣＣＩ燃焼を実行することができずに、ＳＩ燃焼をせざるを得ない。しかしながら、燃費改善や排気清浄化を図る上では、エンジンの暖機を早期に完了させて、ＨＣＣＩ燃焼を早期に実行することが望ましい。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＨＣＣＩ燃焼の実行可能な火花点火式エンジンにおいて、エンジンの暖機を早期に完了させて、ＨＣＣＩ燃焼の実行を早期に可能にすることにある。

ここに開示する技術は、エンジンが未暖機状態のときには、エンジンの暖機を促進する観点から、燃料噴射弁によって点火プラグ周りに燃料を噴射するプリ燃料噴射を実行しかつ、吸気弁閉弁後の圧縮行程前半に点火プラグにより当該点火プラグ周りの混合気に火花点火を行うことで、早期の火花点火燃焼（プリＳＩ燃焼）を実行することにした。このような早期の火花点火燃焼は、燃焼により高温となった気筒内のガスを圧縮することになるから、気筒内の壁面への放熱量を増大させて冷却損失を増大させ、エンジンの暖機を促進する。同時に、早期の火花点火燃焼は、圧縮端温度の上昇にも寄与する。その結果、圧縮端温度は、エンジンが未暖機状態であっても自着火条件を満たし得るから、前記のプリ燃料噴射とは別のメイン燃料噴射によって気筒内に形成した予混合気を、前記火花点火燃焼後の圧縮上死点付近で圧縮着火燃焼（メインＨＣＣＩ燃焼）をさせるようにした。

具体的に、ここに開示する火花点火式エンジンの制御装置は、ガソリンを含有する燃料が供給される火花点火式エンジンと、前記エンジンの気筒内に前記燃料を噴射する燃料噴射弁を含む燃料供給手段と、前記気筒内の混合気に火花点火をする点火プラグと、前記燃料供給手段及び前記点火プラグの制御を通じて、前記火花点火式ガソリンエンジンの作動を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記エンジンの運転領域に応じて、前記点火プラグによって前記気筒内の混合気に火花点火をするＳＩ燃焼モードと、前記気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させるＨＣＣＩ燃焼モードとを切り換える。

そして、前記制御手段はさらに、前記エンジンの始動時に、所定条件が成立しているときには、触媒の活性化を図る運転モードとし、前記運転モードの終了後、前記エンジンが、暖機が完了する前の未暖機状態のときには、前記燃料噴射弁によって前記点火プラグ周りに燃料を噴射するプリ燃料噴射を実行しかつ、吸気弁閉弁後の圧縮行程前半に前記点火プラグにより当該点火プラグ周りの混合気に火花点火を行うことで火花点火燃焼を実行すると共に、前記のプリ燃料噴射とは別のメイン燃料噴射によって前記気筒内に形成した予混合気を、前記火花点火燃焼後の圧縮上死点付近で圧縮着火燃焼させる。

ここで、前記の「未暖機状態」は、例えば圧縮端温度が自着火条件を満足せずに、ＨＣＣＩ燃焼を実行することができない状態と定義してもよい。

また燃焼モードの切り換えは、例えば相対的に高回転高負荷の運転領域ではＳＩ燃焼モードとし、相対的に低回転低負荷の運転領域ではＨＣＣＩ燃焼モードとするように切り換えてもよい。

前記の構成によると、エンジンの未暖機状態においては、点火プラグ周りに燃料を噴射するプリ燃料噴射を実行しかつ、吸気弁閉弁後の圧縮行程前半に点火プラグにより火花点火を行うことで火花点火燃焼、つまりプリＳＩ燃焼を実行する。ここで、プリ燃料噴射のタイミングは特に規定されず、圧縮行程前半に実行される前記の火花点火のタイミングにおいて、点火プラグ周りに混合気を形成し得るタイミングで、プリ燃料噴射を実行すればよい。

こうした早期の火花点火燃焼は、前述したように、燃焼により高温となった気筒内のガスを圧縮することになるから、気筒内の壁面への放熱量を増大させてエンジンの冷却損失を増大させる。つまり、エンジンの暖機を促進する上で有利になり、結果として、エンジンの暖機が完了するまでの時間が短縮されて、エンジンをＨＣＣＩ燃焼モードに早期に移行し得る。

また、前述した早期のプリＳＩ燃焼は、圧縮端温度の上昇にも寄与することから、圧縮端温度が自着火条件を満たし得るようになる。そこで前記の構成では、プリ燃料噴射とは別のメイン燃料噴射を実行することによって気筒内に形成した予混合気は、火花点火燃焼ではなく圧縮着火燃焼をさせる。つまりメインＨＣＣＩ燃焼を実行する。ここで、メイン燃料噴射のタイミングも特に限定されるものではなく、圧縮上死点付近、例えばＭＢＴにて圧縮着火燃焼が行われるように、適宜のタイミングで実行すればよい。プリＳＩ燃焼は、前記のエンジンの暖機促進だけでなく、その後のメインＨＣＣＩ燃焼をアシストする役目も有しており、エンジンの未暖機状態においても圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）が可能になって、実質的にはＨＣＣＩ燃焼を早期に開始し得ることになる。

ＨＣＣＩ燃焼はノンスロットリング乃至少ないスロットリングを伴って実行されるため、ポンピングロスが低減することから、エンジンの未暖機状態の際にスロットリングを伴うＳＩ燃焼を実行することに比べて、燃費が向上し得る。

前記制御手段は、前記プリ燃料噴射によって前記気筒内に供給する燃料量を、前記メイン燃料噴射によって前記気筒内に供給する燃料量に比べて少なく設定すると共に、前記２回の燃料噴射を通じて前記気筒内に供給する総燃料量を、空気過剰率λが１以上となるように設定し、前記制御手段はまた、前記エンジンの負荷の増大に応じて、前記プリ燃料噴射によって前記気筒内に供給する燃料量を減量しかつ、前記メイン燃料噴射によって前記気筒内に供給する燃料量を増量する、としてもよい。

つまり、前記のプリ燃料噴射及び火花点火によるプリＳＩ燃焼は圧縮行程の前半で行うため、逆トルクを発生し得る。このため、発生する逆トルクを可及的に小さくする上では、プリ燃料噴射により供給する燃料量は、メイン燃料噴射により供給する燃料量に比べて少なく設定することが望ましい。

また、メインＨＣＣＩ燃焼を実行するため、熱効率の観点からは、プリ燃料噴射及びメイン燃料噴射の双方により供給する総燃料量を空気過剰率λが１よりも大きくなるように設定することが好ましい一方で、前述したエンジンの暖機を早期に完了する観点からは、総燃料量を空気過剰率λが１になるように、換言すればプリ燃料噴射により供給する燃料量を可及的に増やしてエンジンの冷却損失を増大することが好ましい。また、総燃料量を空気過剰率λが１になるように設定することは、排気エミッションの観点においても有利になり得る。

前記制御手段は、前記プリ燃料噴射及びメイン燃料噴射を共に、前記燃料噴射弁を通じて行うと共に、前記プリ燃料噴射を前記圧縮行程の前半に完了させると共に、前記メイン燃料噴射を当該圧縮行程の後半に完了させる、としてもよい。

これとは異なり、前記燃料供給手段が、前記エンジンの吸気ポート内に燃料を噴射する第２の燃料噴射弁をさらに含み、前記制御手段は、前記プリ燃料噴射を前記燃料噴射弁を通じて行うと共に、前記メイン燃料噴射を前記第２の燃料噴射弁を通じて行う場合は、前記プリ燃料噴射を前記圧縮行程の前半に完了させると共に、前記メイン燃料噴射を当該圧縮行程前の吸気行程において完了させる、としてもよい。

つまり、メイン燃料噴射を、第２の燃料噴射弁を通じて吸気ポート内に行う場合は、吸気行程においてメイン燃料噴射を完了することで、燃料噴霧を吸気と共に気筒内に流入させると共に、ピストンの下降に伴い容積の拡大する気筒内に広く分散させて概ね均一な予混合気を形成する。一方、プリ燃料噴射は、圧縮行程の前半において点火プラグ周りに燃料を噴射することによって行う。この場合は、点火プラグにより火花点火を行うことで、プリ燃料噴射によって形成された、点火プラグ周りの相対的にリッチな混合気が燃焼する（プリＳＩ燃焼）一方で、前記気筒内の略均一な予混合気は圧縮行程の前半であることで全体として極めて希薄な状態であることから、火炎が伝播しない。気筒内の略均一な予混合気は、火花点火燃焼後の圧縮上死点付近で圧縮着火燃焼することになる（メインＨＣＣＩ燃焼）。例えばメイン燃料噴射を吸気ポート内に行う場合、その噴射量は、例えば気筒内空気過剰率λが２以上の、リーンな状態となるように設定してもよい。

前記エンジンは、幾何学的圧縮比が１６以上である、としてもよい。つまり、前記の制御は、幾何学的圧縮比が１６以上の比較的高圧縮比で、同時に高膨張比のエンジンに適用することが特に有効である。

以上説明したように、前記火花点火式エンジンの制御装置は、エンジンの暖機が完了する前の未暖機状態において、点火プラグ周りに燃料を噴射するプリ燃料噴射を実行しかつ、吸気弁閉弁後の圧縮行程前半に火花点火燃焼（プリＳＩ燃焼）を実行することで、エンジンの冷却損失を増大させてエンジンを早期に暖機させることにより、燃費及びエミッション性に優れたＨＣＣＩ燃焼モードに早期に移行し得る。また、早期のプリＳＩ燃焼によって圧縮端温度を上昇させて、エンジンの未暖機状態においても圧縮着火燃焼（メインＨＣＣＩ燃焼）を実行可能にすることで、少なくともポンピングロスの低減に伴う燃費の向上に有利になる。

火花点火式ガソリンエンジン及びその制御装置の構成を示す概略図である。 （ａ）前記の制御装置が実行する暖機促進制御を行った場合の触媒温度及びエンジン温度の変化の一例を示す図、（ｂ）従来の制御を行った場合の触媒温度及びエンジン温度の変化の一例を示す図である。 暖機促進制御に係る燃料噴射タイミング及び燃焼タイミングの一例を示すタイミングチャートと、そのときの気筒内の状態を例示する図である。 自着火条件と、エンジンの温間時及び冷間時の気筒内温度・圧力の履歴の一例と、を示す図である。 燃焼開始時期に対する、冷却損失及び排気損失の変化の一例を示す図である。 制御装置が実行する、特に暖機促進制御に係るフローチャートである。 暖機促進制御の実行要否に係る圧縮端温度マップの一例である。 （ａ）ベースプリ噴射量及びベースメイン噴射量の設定に係る特性例である。（ｂ）（ｃ）それぞれプリ噴射量及びメイン噴射量の補正係数の設定に係る特性例である。 別の実施形態に係る火花点火式ガソリンエンジン及びその制御装置の構成を示す概略図である。 前記別の実施形態に係る火花点火式ガソリンエンジン及びその制御装置が実行する、暖機促進制御に係る燃料噴射タイミング及び燃焼タイミングの一例を示すタイミングチャートと、そのときの気筒内の状態を例示する図である。

以下、火花点火式エンジンの制御装置を図面に基づいて説明する。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ない。図１は、この実施形態に係る火花点火式エンジン及びその制御装置の全体構成を示す。同図において符号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に連結されている。ここでこのエンジン１は、詳しくは後述するが、予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）が可能なエンジン１であって、その幾何学的圧縮比が１６以上の、比較的高い圧縮比、それと同時に比較的高い膨張比を有するエンジン１に構成されている。

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。

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機械式位相可変機構１５（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）と略称する）が組み込まれており、その作動によって気筒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、ＶＶＴ１５と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構（ＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift）を備えるようにしてもよく、また、排気弁１２が吸気行程において再度開弁するように、２段カムと、吸気行程での排気弁１２のリフトをオン・オフするロストモーション機構付きのリフト可変機構（（ＶＶＬ（Variable Valve Lift）を備えるようにしてもよい。

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、この実施形態においては燃焼室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、例えば図３に概念的に示すように、複数の噴口を有する多噴口型の燃料噴射弁によって構成されており、点火プラグ１６の電極近傍に指向して燃料を噴射可能である。つまり、このエンジン１は、いわゆるスプレーガイデッド式の直噴エンジン１として構成されている。但し、後述するように、圧縮行程の前半において、点火プラグ１６の電極近傍に燃料噴霧を供給可能な構成であれば、直噴インジェクタ自体の構成や、その直噴インジェクタの配設位置等を含めた燃料噴射形態としては、どのような形態を採用してもよい。この直噴インジェクタ１８、直噴インジェクタ１８に接続される図示省略の燃料供給ライン及び燃料ポンプを含んで燃料供給手段が構成される。

前記エンジン１の一側面には、各気筒２の吸気ポート９に連通するように吸気通路２０が接続されている。この吸気通路２０は、エンジン１の各気筒２の燃焼室６に対して新気を供給するためのものであり、相対的に下流側の部分は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒２の吸気ポート９にそれぞれ接続されている。一方、相対的に上流側の部分は全気筒に共通の共通通路であり、この共通通路には、その上流側から下流側に向かって順に、吸入空気を濾過するエアクリーナ２１、電気式スロットル弁２２、後述するターボ過給機６１のコンプレッサ６１１、及び、該コンプレッサ６１１により圧縮された空気を冷却するインタークーラ２３が配置されている。

一方、前記エンジン１の他側面には、各気筒２の燃焼室６からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路３０が接続されている。排気通路３０の上流側の部分は、各気筒２毎に分岐して排気ポート１０の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。排気通路３０における排気マニホールドよりも下流側には、ターボ過給機６１のタービン６１２、及び、排気中の有害成分を浄化するための触媒３１が、上流側から下流側に向かって順に配設されている。

前記吸気通路２０におけるエアクリーナ２１とスロットル弁２２との間の部分と、前記排気通路３０におけるターボ過給機６１のタービン６１２と触媒３１との間の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路２０に還流するための排気ガス還流通路４０によって接続されている。この排気ガス還流通路４０には、排気ガスの吸気通路２０への還流量を調整するための排気ガス還流弁４１及び排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４２がそれぞれ介設されている。

ここで、前記のターボ過給機６１の構成について簡単に説明すると、このターボ過給機６１は、吸気通路２０におけるスロットル弁２２とインタークーラ２３との間に配設されたコンプレッサ６１１と、排気通路３０における排気マニホールドと触媒３１との間に配設されたタービン６１２とを有している。排気通路３０にはまた、タービン６１２をバイパスする排気バイパス通路６２が接続されており、排気バイパス通路６２には、この排気バイパス通路６２へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ６２１が配設されている。

このように構成された火花点火式ガソリンエンジン１は、制御手段としてのパワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）５０によって制御される。ＰＣＭ５０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。ＰＣＭ５０は、吸気通路２０における空気の流量及び吸気温度を計測するエアフローセンサ５１、車両の走行速度を検出する車速センサ５２、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５３、クランク軸７の回転角（クランク角）を検出するクランク角センサ５４、エンジン冷却水の温度を検出するエンジンの水温センサ５５の各信号が少なくとも入力され、これらの信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じて、ＶＶＴ１５、点火回路１７、直噴インジェクタ１８、電気式スロットル弁２２、排気ガス還流弁４１、及び、ウエストゲートバルブ６２１を制御する。そうして、ＰＣＭ５０は、エンジン１の運転領域に応じて、エンジン１の燃焼状態を、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とに切り換える。

具体的には、相対的に低負荷かつ低回転側の運転領域においては、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ＨＣＣＩ燃焼モードを実行する。ＨＣＣＩ燃焼モードの実行中は、スロットル弁２２を全開にすると共に、気筒２の排気行程乃至吸気行程において排気弁１２が閉じてから吸気弁１１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、ＨＣＣＩ燃焼の安定化を図る。

ＨＣＣＩによる燃焼は、図３の右下図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、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という特徴を有する。

一方で、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、相対的に高負荷乃至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。このときには気筒２内の空燃比が略理論空燃比（空気過剰率λ＝１）になるように燃料噴射量を制御する。

そして、ここに開示するエンジン１の制御装置において最も特徴的な制御は、エンジン１の始動から暖機完了までにおける制御であり、以下、図面を参照しながら、この特徴的な暖機促進制御について説明する。

図２（ｂ）は、エンジン１の始動から暖機完了までの期間における従来の制御に係り、エンジン１の始動時、特に冷間始動時等でＡＷＳ条件が成立しているときには、エンジン１の初爆後に、触媒３１を早期に所定温度にまで早期に昇温するためのＡＷＳ運転モードを実行する。ＡＷＳ（Accelerated Warm-up System） は、エンジン１の始動時に吸入空気量を増量するためのシステムであり、図示は省略するが、スロットル弁２２をバイパスするバイパスエア通路と、バイパスエア通路上に配置されたＡＷＳバルブとを含んで構成され、冷間始動時には、このＡＷＳバルブを開いて吸入空気量を増量させると共に、点火プラグ１６の点火時期を大幅にリタード（遅角）させることにより、排気ガスの温度を高めて触媒３１の活性化を早めることで、排気ガスの浄化を促進する。従って、ＡＷＳ運転モードではＳＩ燃焼が実行される。

このＡＷＳ運転モードによって、図２（ｂ）に示すように、触媒温度が急速に昇温し、所定の温度（例えば触媒３１の活性温度）に到達すれば、ＡＷＳ運転モードを終了し、その後、ＳＩ燃焼モードを実行する。

これは、前述したＡＷＳ運転モードでは、点火時期を大幅にリタードすることにより排気損失を増大させて触媒温度を早期に昇温し得るものの、冷却損失は相対的に減少しているからエンジン温度（エンジン水温）の上昇はその分、抑制され、エンジンの暖機が完了していない状態にあるためである。

例えば図４は、エンジン回転数を１０００ｒｐｍ、空気過剰率λ＝２．４とした場合の、筒内温度Ｔｘと筒内圧力Ｐｘとの関係におけるＭＢＴでの自着火条件を示している。同図の一点鎖線よりも左側の領域では自着火条件を満足しないため、ＨＣＣＩ燃焼を実行することができず、右側の領域では自着火条件を満足するため、ＨＣＣＩ燃焼を実行することが可能になる。同図における実線は、エンジンの温間時における筒内温度及び筒内圧力の変化履歴の一例を示しており、圧縮端温度圧力（同図の白丸参照）がＭＢＴでの自着火条件を満足しているため、エンジン１の温間時（例えばエンジン１の暖機完了後）には、ＨＣＣＩ燃焼を実行し得る。これに対し、同図に破線で示すエンジン１の冷間時には、筒内の壁面温度（壁温）が低く、気筒内で圧縮される混合気と壁温との温度差が、エンジン１の温間時の温度差に比べて大きくなる。このことにより、気筒２内の壁面への放熱量が増大して、圧縮端温度がエンジン１の温間時に比べて低くなり、自着火条件を満足しなくなる（同図の黒丸参照）。従って、エンジン１の冷間時（換言すれば未暖機状態）は、ＨＣＣＩ燃焼を実行し得ない。

そこで、従来の制御においては、エンジン１が未暖機状態にある期間は、ＳＩ燃焼を行うようにしている。ここにおけるＳＩ燃焼モードでは、空気過剰率λ＝１に設定する一方で、負荷調整のためにスロットリングを行うと共に、点火時期をＭＢＴ、又はエンジン１の暖機を促進するために若干アドバンス（進角）させる。このように従来の制御においては、ＨＣＣＩ燃焼が実行できないエンジン１の未暖機状態時にＳＩ燃焼を実行することで、スロットリングによるポンピングロスを招いている。

そうして、エンジン水温が所定の温度に到達するようなエンジン１の暖機が完了した後は、ＨＣＣＩ燃焼が可能になるため、通常運転モードに移行する。つまり、前述したように、エンジンの運転領域に応じて、ＨＣＣＩ燃焼モードとＳＩ燃焼モードとを切り換える。この内、ＨＣＣＩ燃焼モードにおいて、前述したように、スロットル弁２２は全開にされると共に、燃料噴射量は、該気筒２内の空気過剰率λが１以上（空燃比がリーン）になるように制御されることで、燃費の点で大幅に効率が良くなると共に、排気エミッションの点でも有利になる。

この従来の制御に対し、ここに開示する制御装置が実行する制御は、前記エンジン１が未暖機状態であってＨＣＣＩ燃焼を実行することができない期間において、エンジン１の暖機を促進するためのプリ燃焼を含む、暖機促進制御（暖機促進モード）を実行する。この暖機促進制御の実行に伴い、詳しくは後述するが、エンジン１が未暖機状態であってもＨＣＣＩ燃焼が実行可能になることから、圧縮上死点付近（例えばＭＢＴ）で実行するメイン燃焼は、ＳＩ燃焼ではなく、ＨＣＣＩ燃焼とする。このことにより、暖機時間の短縮化による通常運転モード（ＨＣＣＩ燃焼モード）への早期の移行と、ＨＣＣＩ燃焼モードの実行可能な期間の実質的な拡大との双方を実現し、大幅な燃費改善を図る。

具体的には、図３に示すように、この暖機促進制御においては、メインの燃焼に先立って、圧縮行程の前半においてＳＩ燃焼を実行する（プリＳＩ燃焼、図３の左下図参照）。このプリＳＩ燃焼は、エンジン１の冷却損失を増大させる。例えば図５は、燃焼開始時期に対する、エンジン１の冷却損失及び排気損失の関係を示しており、燃焼開始時期が遅くなればなるほど（図５における右にいけばいくほど）、冷却損失が減少する一方で、排気損失が増大する。これは、例えば触媒３１の昇温には有利であり、前述したように、ＡＷＳ運転モードにおいては、点火時期をリタードさせることに対応する。これに対し燃焼開始時期が早くなればなるほど（図５における左にいけばいくほど）、排気損失が減少する一方で、冷却損失が増大する。つまり、早期の燃焼により高温となった気筒２内のガスを圧縮することになるから、気筒２内の壁面への放熱量が増大してエンジン１の冷却損失が増大する。このことは、エンジン１の暖機を促進する上では有利になるため、暖機促進制御においては、燃焼開始時期を早くして冷却損失を増大させる観点から、圧縮行程の前半においてプリＳＩ燃焼を実行する。これにより、図２（ａ）に示すように、エンジン１の温度（エンジン水温）の上昇が、従来の制御に比べて促進され（エンジン１の温度変化グラフの傾きが大きくなり）、エンジン１の暖機が完了するまでの時間が、従来の制御に比べて短縮する。つまり、通常運転モードへ早く移行して、燃費及び排気エミッションの点で優位性のあるＨＣＣＩ燃焼モードを早期に実行することが可能になる。

また、前述した早期のプリＳＩ燃焼は、圧縮端温度の上昇にも寄与することから、圧縮端温度が自着火条件を満たし得るようになる。そこで暖機促進制御においては、プリ燃料噴射とは別のメイン燃料噴射を実行することによって気筒２内に形成した予混合気を、ＭＢＴ付近において、ＳＩ燃焼ではなくＨＣＣＩ燃焼させる（メインＨＣＣＩ燃焼、図３の中央下図及び右下図参照）。エンジン１の未暖機状態においてもＨＣＣＩ燃焼を実行することで、実質的にはＨＣＣＩ燃焼を早期に開始することと等価になる。メインＨＣＣＩ燃焼の実行に伴い、暖機促進制御の実行期間においては、スロットル弁２２を基本的に全開にするため、ポンピングロスの低減が図られる。つまり、前記の暖機促進制御は、従来の制御と比較して、少なくともポンピングロスの低減分、燃費を向上させ得る。

このように、プリＳＩ燃焼は、エンジン１の暖機を促進する役目だけでなく、その後のＨＣＣＩ燃焼をアシストする役目も有しており、暖機促進制御は、ＨＣＣＩ燃焼を実行しながらエンジン１の暖機を促進する制御ということができる。

次に図３を参照しながら、暖機促進制御における直噴インジェクタ１８及び点火プラグ１６の制御について説明する。先ず、プリＳＩ燃焼に係る燃料噴射（プリ燃料噴射）は、直噴インジェクタ１８によって行われ、直噴インジェクタ１８が点火プラグ１６の電極近傍に指向して燃料を噴射することにより、点火プラグ１６の電極近傍に成層化した混合気が形成される。また、プリＳＩ燃焼は、冷却損失を増大させる観点からは、その燃焼開始時期は、吸気弁１１の閉弁後の圧縮行程前半において、可及的に早く設定することが好ましいが、エンジン１の運転状態（例えば圧縮端温度、吸気量、エンジン負荷等）に応じて、適宜、変更設定してもよい。プリ燃料噴射のタイミングは、プリＳＩ燃焼が圧縮行程前半の所望のタイミングで行い得るように、吸気行程乃至圧縮行程中において、適宜設定される。一例として、プリ燃料噴射のタイミングは、例えば吸気弁１１の閉弁直後に設定してもよい。そうして、点火プラグ１６によって、所定のタイミングで、当該点火プラグ１６周りの成層化した混合気に火花点火をし、着火燃焼させることにより、プリＳＩ燃焼が実行される。

次に、メインＨＣＣＩ燃焼に係る燃料噴射（メイン燃料噴射）も、直噴インジェクタ１８によって行われる。メイン燃料噴射のタイミングは、この実施形態では、プリＳＩ燃焼の終了後の圧縮行程の後半に設定されている。メイン燃料噴射のタイミングは、メインＨＣＣＩ燃焼が所望のタイミング（例えばＭＢＴで）で行い得るように、適宜設定すればよく、エンジン１の運転状態（例えば圧縮端温度、吸気量、エンジン負荷等）に応じて、適宜、変更設定してもよい。直噴インジェクタ１８によって、所定のタイミングでメイン燃料噴射が実行されることにより、気筒２内に略均一な予混合気が形成され、その予混合気が圧縮上死点付近において圧縮着火することにより、メインＨＣＣＩ燃焼が実行されることになる。

次に、図６のフローチャートを参照しながら、前記ＰＣＭ５０が実行する、エンジン１の始動時の制御について説明する。このフローチャートはエンジン１の初爆後にスタートをし、ここでは、前記ＡＷＳの実行条件が成立しているものとする。先ずスタート後のステップＳ６１では、ＡＷＳ運転モードの実行中であるとして、積算ＡＷＳ実行時間（つまり、現時点までのＡＷＳ運転モードの実行継続時間）を読み込み、続くステップＳ６２において、積算ＡＷＳ実行時間が所定値以上であるか否かを判定する。所定値に満たない場合、つまりＡＷＳ運転モードを継続する場合には、ステップＳ６３に移行して、ＡＷＳ運転モードを継続する。一方、ＡＷＳ積算時間が所定値以上であり、ＡＷＳ運転モードを終了する場合にはステップＳ６４に移行する。尚、このステップＳ６２における所定値は、例えばエンジン水温や外気温に応じて変更される。

ＡＷＳ運転モードを終了するとして移行したステップＳ６４においては、アクセル開度センサ５３及びクランク角センサ５４からアクセル開度及びエンジン回転数を読み込み、続くステップＳ６５では、エアフローセンサ５１からの信号に基づいて吸気量を導出する。尚、気筒２内の圧力を検出するＣＰＳ（Cylinder Pressure Sensor）を取り付け、当該ＣＰＳの検出値も利用して吸気量を導出してもよい。また、ステップＳ６６では、水温センサ５５及びエアフローセンサ５１からエンジン水温及び吸気温度をそれぞれ読み込むと共に、予め設定されてＰＣＭ５０に保存されている圧縮端温度マップから、圧縮端温度を算出する。圧縮端温度マップは、例えば図７に示すように設定されており、エンジン水温及び吸気温度に対する圧縮端温度が設定されている。この圧縮端温度に基づいて、圧縮端温度が自着火条件を満たしＨＣＣＩ燃焼が実行可能な通常運転モードを実行し得るか（同図において、相対的に右上の領域であるか）、圧縮端温度圧力が自着火条件を満足せず、ＨＣＣＩ燃焼が実行不可能な暖機促進モードを実行すべきか（同図において、相対的に左下の領域であるか）、を判別可能である。ステップＳ６７では、算出した圧縮端温度に基づいて通常運転モードに移行可能であるか否かを判定し、移行可能であるとき（ＹＥＳのとき）にはステップＳ６１６に進む一方、移行不可能であるとき（ＮＯのとき）にはステップＳ６８に進む。尚、ここでは圧縮端温度マップを用いて圧縮端温度を算出しているが、例えばモデル化により、エンジン水温及び吸気温度から圧縮端温度を算出してもよい。

ステップＳ６８以降は、エンジン１が未暖機状態であるため、エンジン１の暖機を促進する暖機促進モードを実行する。具体的には、ステップＳ６９で、ベースとなるプリ噴射量及びメイン噴射量をそれぞれ設定する。このベースプリ噴射量及びベースメイン噴射量は、例えば図８（ａ）に示すように設定してもよく、ここでは、圧縮端温度の高低に拘わらず、ベースプリ噴射量及びベースメイン噴射量をそれぞれ一定に設定している。尚、圧縮端温度の高低に応じてベースプリ噴射量及びベースメイン噴射量を変更してもよい。また、詳しくは後述するが、エンジン１の暖機完了後は、同図に示すように、プリＳＩ燃焼の実行が終了するため、ベースプリ噴射量は０（ゼロ）に設定される。一方、この暖機促進モードにおいて行われるプリＳＩ燃焼は、圧縮行程の前半において実行されることで逆トルクとなり得ることから、ベースメイン噴射量は、エンジン１の暖機完了前は、その逆トルクの発生分を考慮して比較的大に設定される。これに対し、エンジン１の暖機完了後はプリＳＩ燃焼の実行が終了して逆トルクが発生しないことから、ベースメイン噴射量（エンジン１の暖機完了後に、ＨＣＣＩ燃焼モードに移行する場合）は、同図に示すように、エンジン１の暖機完了前よりも小に設定される。

ここで、暖機促進モードでは、プリ噴射量とメイン噴射量との総量が、気筒２内の空気過剰率がλ＝１となるように設定される。これは、エンジン１の冷却損失を増大してエンジン１の暖機を促進し、エンジン１の暖機を早期に完了するためである。つまり、メインＨＣＣＩ燃焼を実行することから、熱効率の観点からは、プリ噴射量とメイン噴射量との総量を、空気過剰率λが１よりも大きくなるように設定してもよい。しかしながらこの場合は、プリ噴射量が相対的に減少するため、エンジン１の冷却損失の増大が抑制されて、エンジン１の暖機完了までの時間が長くなる虞がある。そのため、暖機促進モードにおいて、エンジン１の暖機を早期に完了することを最優先とするならば、プリ噴射量とメイン噴射量との総量を、気筒２内の空気過剰率がλ＝１となるように設定することが望ましい。また、暖機促進制御は、ＡＷＳ運転モード終了後の、触媒３１が活性した後に実行される制御であるため、気筒２内の空気過剰率がλ＝１となるように設定することは、排気エミッションの点でも有利になり得る。

また、前述した逆トルクが大きくなりすぎないように、プリ噴射量は、メイン噴射量に対して、例えば１／３以下の量となるように制限してもよい。

続くステップＳ６１０では、エンジン１の運転状態に応じてプリ噴射量の補正係数（１）（２）及びメイン噴射量の補正係数（１）（２）をそれぞれ設定する。具体的には、図８（ｂ）に示すように、吸気量に応じてプリ噴射量の補正係数（１）及びメイン噴射量の補正係数（１）を設定する。前述したように、暖機促進モードでは、プリ噴射量及びメイン噴射量の総量が、気筒２内の空気過剰率がλ＝１となるように設定されるため、吸気量の増大に応じてプリ噴射量及びメイン噴射量を増量させる必要がある。そこで、プリ噴射量の補正係数（１）及びメイン噴射量の補正係数（１）はそれぞれ、吸気量の増大に応じてプリ噴射量及びメイン噴射量が増量されるように、設定される。

また、図８（ｃ）に示すように、エンジン負荷（アクセル開度）に応じてプリ噴射量の補正係数（２）及びメイン噴射量の補正係数（２）を設定する。つまり、エンジン負荷の増大に伴い、メインＨＣＣＩ燃焼により発生させるエンジントルクを増大させる必要性から、メイン噴射量は増量される。一方、前述したように、暖機促進モードでは、プリ噴射量及びメイン噴射量の総量が、空気過剰率λ＝１となるように設定されるため、メイン噴射量の増量に伴いプリ噴射量は減量される。従って、プリ噴射量の補正係数（２）は、エンジン負荷の増大に応じてプリ噴射量が減量するように設定され、メイン噴射量の補正係数（２）は、エンジン負荷の増大に応じてメイン噴射量が増量するように設定される。

こうして、プリ噴射量及びメイン噴射量それぞれの補正係数（１）（２）を設定すれば、ステップＳ６１１においてベースプリ噴射量が、設定した補正係数（１）（２）に従って、例えばベースプリ噴射量に補正係数（１）（２）を乗算することにより補正されると共に、ステップＳ６１２においてベースメイン噴射量が、設定した補正係数（１）（２）に従って、例えばベースプリ噴射量に補正係数（１）（２）を乗算することにより補正される。

ステップＳ６１３では、設定されたプリ噴射量に従って、前述したように、所定のタイミングでプリ燃料噴射が実行され、ステップＳ６１４で、所定のタイミングで点火プラグ１６による火花点火が実行される。こうして、プリＳＩ燃焼が実行されることになる。一方、ステップＳ６１５では、設定されたメイン噴射量に従って、所定のタイミングでメイン燃料噴射が実行され、これによって気筒２内に形成された予混合気は、ＭＢＴ付近で圧縮着火燃焼（メインＨＣＣＩ燃焼）する（図３も参照）。

こうして暖機促進モードの実行により、エンジン１の暖機が促進されて暖機完了に至れば、ステップＳ６７の判定において通常運転モードに移行可能と判定されるようになるから、ステップＳ６１６に移行をして、エンジン１の運転領域に応じて、ＨＣＣＩ燃焼モード及びＳＩ燃焼モードを切り換える通常運転モードを実行する。

ここで、図６のフローにおける各ステップの順番は、説明の便宜上のものであり、その順番を適宜入れ替えたり、また、各ステップの実行を時間的に並列に行ったりするような変更等は、勿論可能である。

このように前記の構成では、エンジン１の未暖機状態、特にＡＷＳ運転モードの終了後でエンジン１の暖機完了前の期間においては、プリＳＩ燃焼とメインＨＣＣＩ燃焼との双方を行う暖機促進モードを実行する。プリＳＩ燃焼を圧縮行程の前半に実行することにより、図５に示すようにエンジン１の冷却損失が増大し、エンジン１の暖機を促進することが可能になる。図２（ａ）に例示するように、ＡＷＳ運転モードでは、点火時期をリタードさせて排気損失を増大させているため、触媒温度の上昇が促進される一方で、エンジン１の温度上昇は相対的に緩慢になるのに対し、暖機促進モードにおいては、エンジン１の冷却損失を増大させていることで、エンジン１の温度上昇が、ＡＷＳ運転モードのときに比べて急峻になり、エンジン１の暖機が促進される。その結果、こうしたプリＳＩ燃焼を実行しない従来の制御（同図の（ｂ）参照）と比較して、エンジン１の暖機が早期に完了し、暖機時間を短縮し得る。

また、プリＳＩ燃焼の実行は、圧縮端温度を高めることにも寄与するため、エンジン１が未暖機状態であってもＨＣＣＩ燃焼を実行可能にする。こうして、暖機促進モードにおいては、メインの燃焼としてＨＣＣＩ燃焼を実行することにより、スロットル弁２２を全開にしてポンピングロスを低減し得る。特に、従来の制御においては、エンジン１の暖機が完了するまでの期間は、スロットリングを伴うＳＩ燃焼を実行しており、ポンピングロスが発生するため、前記の暖機促進モードは燃費の面で有利になる。また、メインＨＣＣＩ燃焼を実行することによって、排気エミッションの面でも有利になる。

従って、エンジン１の暖機を促進することで通常運転モードに早期に移行をして、ＨＣＣＩ燃焼モードを早期に実行することと、エンジン１の暖機中にＨＣＣＩ燃焼の実行を可能にすることと、が組み合わさることにより、大幅な燃費向上が図られる。

尚、例えば図９に示すように、前記の直噴インジェクタ１８の他に、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（第２の燃料噴射弁）１９を配設し、メインＨＣＣＩ燃焼用のメイン燃料噴射を、このポートインジェクタ１９によって実行するようにしてもよい。この場合は、図１０に示すように、ポートインジェクタ１９によるメイン燃料噴射のタイミングは、前記のプリ燃料噴射を実行する圧縮行程より前の吸気行程において完了させればよい。こうすることで、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（図１０の左下図も参照）。例えば図６に示すフローにおいては、ステップＳ６１５が、ステップＳ６１３よりも前に実行されることになる。

尚、この場合は、概ね均一な予混合気が既に形成されている気筒２内において、前記のプリ燃料噴射によって点火プラグ１６の電極近傍に成層化した混合気が形成されると共に、点火プラグ１６によってこの混合気に火花点火をしプリＳＩ燃焼を実行することになる。このときに、前記のプリＳＩ燃焼は圧縮行程の前半に実行されるため、このタイミングでは、気筒２内の予混合気は、全体として極めて希薄な状態であることから火炎は伝播せず、その気筒２内の略均一な予混合気は、プリＳＩ燃焼後の圧縮上死点付近でＨＣＣＩ燃焼することになる。このポートインジェクタ１９によるメイン噴射量は、例えば気筒内空気過剰率λが２以上となるように設定してもよい。

また、メイン燃料噴射を直噴インジェクタ１８によって実行する場合においても、そのメイン燃料噴射のタイミングを、プリ燃料噴射を実行する圧縮行程より前の吸気行程において完了させてもよい。こうすることで、前述したポートインジェクタ１９によりメイン燃料噴射を実行する場合と同様に、噴射された燃料噴霧はピストン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ようになり得る。

以上説明したように、ここに開示した火花点火式エンジンの制御装置は、自動車の燃費改善の点で有用である。

１ 火花点火式エンジン
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（第２の燃料噴射弁）
２ 気筒
５０ ＰＣＭ（制御手段）
９ 吸気ポート

Claims (5)

1. ガソリンを含有する燃料が供給される火花点火式エンジンと、
   前記エンジンの気筒内に前記燃料を噴射する燃料噴射弁を含む燃料供給手段と、
   前記気筒内の混合気に火花点火をする点火プラグと、
   前記燃料供給手段及び前記点火プラグの制御を通じて、前記エンジンの作動を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記エンジンの運転領域に応じて、前記点火プラグによって前記気筒内の混合気に火花点火をするＳＩ燃焼モードと、前記気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させるＨＣＣＩ燃焼モードとを切り換え、
   前記制御手段はさらに、前記エンジンの始動時に、所定条件が成立しているときには、触媒の活性化を図る運転モードとし、
   前記運転モードの終了後、前記エンジンが、暖機が完了する前の未暖機状態のときには、前記燃料噴射弁によって前記点火プラグ周りに燃料を噴射するプリ燃料噴射を実行しかつ、吸気弁閉弁後の圧縮行程前半に前記点火プラグにより当該点火プラグ周りの混合気に火花点火を行うことで火花点火燃焼を実行すると共に、前記のプリ燃料噴射とは別のメイン燃料噴射によって前記気筒内に形成した予混合気を、前記火花点火燃焼後の圧縮上死点付近で圧縮着火燃焼させる火花点火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記制御手段は、前記プリ燃料噴射によって前記気筒内に供給する燃料量を、前記メイン燃料噴射によって前記気筒内に供給する燃料量に比べて少なく設定すると共に、前記２回の燃料噴射を通じて前記気筒内に供給する総燃料量を、空気過剰率λが１以上となるように設定し、
   前記制御手段はまた、前記エンジンの負荷の増大に応じて、前記プリ燃料噴射によって前記気筒内に供給する燃料量を減量しかつ、前記メイン燃料噴射によって前記気筒内に供給する燃料量を増量する火花点火式エンジンの制御装置。
3. 請求項１に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記制御手段は、前記プリ燃料噴射及びメイン燃料噴射を共に、前記燃料噴射弁を通じて行うと共に、前記プリ燃料噴射を前記圧縮行程の前半に完了させると共に、前記メイン燃料噴射を当該圧縮行程の後半に完了させる火花点火式エンジンの制御装置。
4. 請求項１に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記燃料供給手段は、前記エンジンの吸気ポート内に燃料を噴射する第２の燃料噴射弁をさらに含み、
   前記制御手段は、前記プリ燃料噴射を前記燃料噴射弁を通じて行うと共に、前記メイン燃料噴射を前記第２の燃料噴射弁を通じて行いかつ、前記プリ燃料噴射を前記圧縮行程の前半に完了させると共に、前記メイン燃料噴射を当該圧縮行程前の、少なくとも吸気行程において実行させる火花点火式エンジンの制御装置。
5. 請求項１に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記エンジンは、幾何学的圧縮比が１６以上である火花点火式エンジンの制御装置。

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