(57)【要約】      （修正有）【課題】ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとを切り替える内燃機関において、燃焼モードが頻繁に切り替わることを抑制して燃費性能の悪化を抑制する。【解決手段】内燃機関の制御方法は、制御部が、各センサの信号に基づき、運転マップにおける内燃機関の運転点が、第一領域と第二領域との境界を跨いで、第一領域から第二領域へ移行したことを判断するステップと、制御部が、運転点が第二領域内に滞在する時間を予測するステップと、制御部が、予測した滞在時間が所定時間以上の場合に、第二領域に対応する燃焼モードに切り替えるステップと、制御部が、予測した滞在時間が所定時間未満の場合に、第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替えずに、第一領域に対応するストイキ燃焼モードを継続するステップと、を備えている。【選択図】図９
2020172902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ストイキ燃焼モードと、該ストイキ燃焼モードよりもリーンな空燃比で運転するリーン燃焼モードとを切り替える内燃機関の制御方法であって、
負荷と回転数とによって規定される前記内燃機関の運転マップにおいて、前記ストイキ燃焼モードで前記内燃機関が運転する第一領域と、前記リーン燃焼モードで前記内燃機関が運転する第二領域とが定められ、
制御部が、センサの信号に基づき、前記運転マップにおける前記内燃機関の運転点が、前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて、前記第一領域から前記第二領域へ移行したことを判断するステップと、
前記制御部が、前記内燃機関の運転点が、前記第二領域内に滞在する時間を予測するステップと、
前記制御部が、予測した滞在時間が所定時間以上の場合に、前記第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替えるステップと、
前記制御部が、予測した滞在時間が前記所定時間未満の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替えずに、前記第一領域に対応するストイキ燃焼モードを継続するステップと、
を備えている内燃機関の制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の制御方法において、
前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記第二領域内の前記内燃機関の運転点から、前記第一領域と前記第二領域との境界までの距離が所定値以上の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替え、
前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記距離が前記所定値未満の場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する内燃機関の制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の内燃機関の制御方法において、
前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記内燃機関の運転点が前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて前記第二領域へ移行した時の速度が所定値以下の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替え、
前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記速度が前記所定値を超える場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する内燃機関の制御方法。
【請求項４】
請求項１に記載の内燃機関の制御方法において、
前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記第二領域内の前記内燃機関の運転点から、前記第一領域と前記第二領域との境界までの距離を、前記内燃機関の運転点が前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて前記第二領域へ移行した時の速度で除算した値が所定値以上の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替え、
前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記値が前記所定値未満の場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する内燃機関の制御方法。
【請求項５】
ストイキ燃焼モードと、該ストイキ燃焼モードよりもリーンな空燃比で運転するリーン燃焼モードとを切り替える内燃機関の制御装置であって、
負荷と回転数とによって規定される前記内燃機関の運転マップにおいて、前記ストイキ燃焼モードで前記内燃機関が運転する第一領域と、前記リーン燃焼モードで前記内燃機関が運転する第二領域とが定められ、
前記内燃機関の運転に関係する信号を出力するセンサと、
前記センサの信号が入力されかつ、前記センサの信号に基づいて判断した前記内燃機関の運転点と前記運転マップとに基づいて前記内燃機関を前記ストイキ燃焼モード又は前記リーン燃焼モードで運転させる制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記センサの信号に基づき、前記運転マップにおける前記内燃機関の運転点が、前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて、前記第一領域から前記第二領域へ移行したことを判断する移行判断部と、
前記内燃機関の運転点が、前記第二領域内に滞在する時間を予測する予測部と、
前記予測部が予測した滞在時間が所定時間以上の場合に、前記第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替えると共に、予測した滞在時間が前記所定時間未満の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替えずに、前記第一領域に対応するストイキ燃焼モードを継続する燃焼モード切替部と、
を有している内燃機関の制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の内燃機関の制御装置において、
前記予測部は、前記運転マップにおいて、前記第二領域内の前記内燃機関の運転点から、前記第一領域と前記第二領域との境界までの距離に基づいて、前記内燃機関の運転点が、前記第二領域内に滞在する時間を予測し、
前記燃焼モード切替部は、前記距離が所定値以上の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替えると共に、前記距離が前記所定値未満の場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する内燃機関の制御装置。
【請求項７】
請求項５に記載の内燃機関の制御装置において、
前記予測部は、前記運転マップにおいて、前記内燃機関の運転点が前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて前記第二領域へ移行した時の速度に基づいて、前記内燃機関の運転点が、前記第二領域内に滞在する時間を予測し、
前記燃焼モード切替部は、前記速度が所定値以下の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替えると共に、前記速度が前記所定値を超える場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する内燃機関の制御装置。
【請求項８】
請求項５に記載の内燃機関の制御装置において、
前記予測部は、前記運転マップにおいて、前記第二領域内の前記内燃機関の運転点から、前記第一領域と前記第二領域との境界までの距離を、前記内燃機関の運転点が前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて前記第二領域へ移行した時の速度で除算した値に基づいて、前記内燃機関の運転点が、前記第二領域内に滞在する時間を予測し、
前記燃焼モード切替部は、前記値が所定値以上の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替えると共に、前記値が前記所定値未満の場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する技術は、内燃機関の制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、スロットル開度が基準値よりも小さい場合は、混合気を理論空燃比よりもリーンにしたリーン制御を行い、スロットル開度が基準値以上の場合は、混合気を理論空燃比にしたストイキ制御を行うエンジンが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１７７５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１とは異なり、内燃機関の負荷と回転数とによって規定される運転マップにおいて、リーン燃焼モードで運転する領域と、ストイキ燃焼モードで運転する領域とを定めた内燃機関が知られている。
【０００５】
この構成の内燃機関においては、例えば自動車が市街地を走行している時に、運転者のアクセルペダルの踏込量が頻繁に変化することによって、前記の運転マップにおける内燃機関の運転点が、リーン燃焼モードで運転する領域と、ストイキ燃焼モードで運転する領域との間を行き来する場合がある。
【０００６】
ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切り替え時、及び、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの切り替え時のそれぞれにおいて、内燃機関は、筒内状態量を大きく変更しなければならない。前述のように、内燃機関の運転点が、リーン燃焼モードで運転する領域と、ストイキ燃焼モードで運転する領域との間を頻繁に行き来してしまうと、筒内状態量の調節が間に合わなくなり、燃焼が不安定になって燃費性能が悪化してしまう恐れがある。
【０００７】
ここに開示する技術は、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとを切り替える内燃機関において、燃焼モードが頻繁に切り替わることを抑制して燃費性能の悪化を抑制する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここに開示する技術は、ストイキ燃焼モードと、該ストイキ燃焼モードよりもリーンな空燃比で運転するリーン燃焼モードとを切り替える内燃機関の制御方法に関する。
【０００９】
この制御方法の前提として、負荷と回転数とによって規定される前記内燃機関の運転マップにおいて、前記ストイキ燃焼モードで前記内燃機関が運転する第一領域と、前記リーン燃焼モードで前記内燃機関が運転する第二領域とが定められている。
【００１０】
この制御方法は、
制御部が、センサの信号に基づき、前記運転マップにおける前記内燃機関の運転点が、前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて、前記第一領域から前記第二領域へ移行したことを判断するステップと、
前記制御部が、前記内燃機関の運転点が、前記第二領域内に滞在する時間を予測するステップと、
前記制御部が、予測した滞在時間が所定時間以上の場合に、前記第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替えるステップと、
前記制御部が、予測した滞在時間が前記所定時間未満の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替えずに、前記第一領域に対応するストイキ燃焼モードを継続するステップと、
を備えている。
【００１１】
この構成によると、内燃機関の運転点が、第一領域と第二領域との境界を跨いて、第一領域から第二領域へ移行したときに、制御部は、運転点が第二領域内に滞在する時間を予測する。予測した滞在時間が所定時間以上の場合は、内燃機関の運転点が、第二領域から第一領域へ直ぐに戻ってしまうことがないため、制御部は、第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替える。
【００１２】
一方、予測した滞在時間が所定時間未満の場合は、内燃機関の運転点が、第二領域から第一領域へ直ぐに戻ってしまう可能性が高い。このため、内燃機関は、第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替えずに、第一領域に対応するストイキ燃焼モードを継続する。これにより、内燃機関の運転点が、第二領域から第一領域へ直ぐに戻ってしまったとしても、燃焼モードは、ストイキ燃焼モードのままになる。頻繁な燃焼モードの切り替えに伴う燃焼の不安定性を抑制することができ、燃費性能が悪化してしまうことを抑制することができる。
【００１３】
リーン燃焼は、燃焼不安定性を回避するために特定の運転領域においてのみ実行が可能であるのに対し、ストイキ燃焼は、基本的には、内燃機関の全運転領域において実行が可能である。第一領域と第二領域との間を運転点が頻繁に行き来する恐れがある場合に、ストイキ燃焼モードを継続することにより、内燃機関の燃焼を安定化させることができる。内燃機関の燃費性能が悪化することが抑制される。
【００１４】
前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記第二領域内の前記内燃機関の運転点から、前記第一領域と前記第二領域との境界までの距離が所定値以上の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替え、前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記距離が前記所定値未満の場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する、としてもよい。
【００１５】
運転マップにおいて、現在の内燃機関の運転点と境界までの距離が長いと、第二領域から第一領域へ運転点が移行するまでに長い時間を要する。つまり、滞在時間が長いと予測することができる。制御部は、第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替えて内燃機関を運転させる。運転モードは頻繁に切り替わらない。
【００１６】
これに対し、運転マップにおいて、現在の内燃機関の運転点と境界までの距離が短いと、運転点が早期に第二領域から第一領域へ移行してしまう可能性がある。つまり、滞在時間が短いと予測することができる。制御部は、第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替えることを禁止して、第一領域に対応するストイキ燃焼モードを継続する。運転モードは頻繁に切り替わらない。
【００１７】
前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記内燃機関の運転点が前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて前記第二領域へ移行した時の速度が所定値以下の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替え、前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記速度が前記所定値を超える場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する、としてもよい。
【００１８】
内燃機関の運転点の移行速度が遅いと、運転点が第二領域から第一領域へ移行するまでに長い時間を要する。つまり、滞在時間が長いと予測することができる。制御部は、第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替えて内燃機関を運転させる。燃焼モードは頻繁に切り替わらない。
【００１９】
これに対し、運転点の移行速度が速いと、運転点が第二領域から第一領域へ移行するまでの時間が短い可能性がある。つまり、滞在時間が短いと予測することができる。制御部は、第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替えることを禁止して、第一領域に対応するストイキ燃焼モードを継続する。燃焼モードは頻繁に切り替わらない。
【００２０】
前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記第二領域内の前記内燃機関の運転点から、前記第一領域と前記第二領域との境界までの距離を、前記内燃機関の運転点が前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて前記第二領域へ移行した時の速度で除算した値が所定値以上の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替え、前記制御部は、前記運転マップにおいて、前記値が前記所定値未満の場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する、としてもよい。
【００２１】
前述したように、運転マップにおいて、第二領域内の内燃機関の運転点から、第一領域と第二領域との境界までの距離が所定値以上の場合は、現在の内燃機関の運転点と境界までの距離が長い。しかしながら、内燃機関の運転点が移行する速度が速いと、第二領域から第一領域へ運転点が移行するまでに要する時間が短い可能性がある。
【００２２】
逆に、運転マップにおいて、現在の内燃機関の運転点と境界までの距離が短くても、内燃機関の運転点が移行する速度が遅いと、第二領域から第一領域へ運転点が移行するまでに要する時間が長い可能性がある。
【００２３】
そこで、運転マップにおいて、運転点から境界までの距離を、運転点が移行した速度で除算した値が所定値以上の場合には、滞在時間が長いと予測することができる。制御部は、第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替える。前記値が所定値未満の場合には、滞在時間が短い可能性があることから、制御部は、第一領域に対応するストイキ燃焼モードを継続する。これにより、より適切に、第一燃焼モードと第二燃焼モードとの切り替えを実現することができる。
【００２４】
ここに開示する技術は、ストイキ燃焼モードと、該ストイキ燃焼モードよりもリーンな空燃比で運転するリーン燃焼モードとを切り替える内燃機関の制御装置に係る。この制御装置は、
負荷と回転数とによって規定される前記内燃機関の運転マップにおいて、前記ストイキ燃焼モードで前記内燃機関が運転する第一領域と、前記リーン燃焼モードで前記内燃機関が運転する第二領域とが定められ、
前記内燃機関の運転に関係する信号を出力するセンサと、
前記センサの信号が入力されかつ、前記センサの信号に基づいて判断した前記内燃機関の運転点と前記運転マップとに基づいて前記内燃機関を前記ストイキ燃焼モード又は前記リーン燃焼モードで運転させる制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記センサの信号に基づき、前記運転マップにおける前記内燃機関の運転点が、前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて、前記第一領域から前記第二領域へ移行したことを判断する移行判断部と、
前記内燃機関の運転点が、前記第二領域内に滞在する時間を予測する予測部と、
前記予測部が予測した滞在時間が所定時間以上の場合に、前記第二領域に対応するリーン燃焼モードに切り替えると共に、予測した滞在時間が前記所定時間未満の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替えずに、前記第一領域に対応するストイキ燃焼モードを継続する燃焼モード切替部と、
を有している。
【００２５】
前記予測部は、前記運転マップにおいて、前記第二領域内の前記内燃機関の運転点から、前記第一領域と前記第二領域との境界までの距離に基づいて、前記内燃機関の運転点が、前記第二領域内に滞在する時間を予測し、
前記燃焼モード切替部は、前記距離が所定値以上の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替えると共に、前記距離が前記所定値未満の場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する、としてもよい。
【００２６】
前記予測部は、前記運転マップにおいて、前記内燃機関の運転点が前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて前記第二領域へ移行した時の速度に基づいて、前記内燃機関の運転点が、前記第二領域内に滞在する時間を予測し、
前記燃焼モード切替部は、前記速度が所定値以下の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替えると共に、前記速度が前記所定値を超える場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する、としてもよい。
【００２７】
前記予測部は、前記運転マップにおいて、前記第二領域内の前記内燃機関の運転点から、前記第一領域と前記第二領域との境界までの距離を、前記内燃機関の運転点が前記第一領域と前記第二領域との境界を跨いて前記第二領域へ移行した時の速度で除算した値に基づいて、前記内燃機関の運転点が、前記第二領域内に滞在する時間を予測し、
前記燃焼モード切替部は、前記値が所定値以上の場合に、前記リーン燃焼モードに切り替えると共に、前記値が前記所定値未満の場合に、前記ストイキ燃焼モードを継続する、としてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように、前記の内燃機関の制御装置及び制御方法は、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとを切り替える内燃機関において、燃焼モードが頻繁に切り替わることを抑制して燃費性能の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、エンジンの構成を例示する図である。
【図２】図２は、燃焼室の構成を例示する図であり、上図は燃焼室の平面視相当図、下図はII−II線断面図である。
【図３】図３は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。
【図４】図４は、ＳＰＣＣＩ燃焼の波形を例示する図である。
【図５】図５は、エンジンの運転マップを例示する図である。
【図６】図６は、エンジンの運転マップのレイヤ構造を説明する図である。
【図７】図７は、エンジンの運転点の変化を例示する図である。
【図８】図８は、エンジンの燃焼モードの切り替えに関する制御を実行するＥＣＵの機能ブロックを例示するブロック図である。
【図９】図９は、エンジンの燃焼モードの切り替えに係る制御を例示するフローチャートである。
【図１０】図１０は、図９のフローチャートの変形例である。
【図１１】図１１は、図９及び図１０のフローチャートの変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、内燃機関の制御装置に関する実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明は、内燃機関としてのエンジン、及び、エンジンの制御装置の一例である。
【００３１】
図１は、エンジンシステムの構成を例示する図である。図２は、エンジンの燃焼室の構成を例示する図である。尚、図１における吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。図２における吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。図３は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。
【００３２】
エンジン１は、燃焼室１７が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する４ストロークエンジンである。エンジン１は、四輪の自動車に搭載されている。エンジン１が運転することによって、自動車は走行する。エンジン１の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であればよい。燃料は、例えばバイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。
【００３３】
（エンジンの構成）
エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１が形成されている。図１及び図２では、一つのシリンダ１１のみを示す。エンジン１は、多気筒エンジンである。
【００３４】
各シリンダ１１内には、ピストン３が摺動自在に内挿されている。ピストン３は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。ピストン３は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画する。尚、「燃焼室」は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン３の位置に関わらず、ピストン３、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する場合がある。
【００３５】
シリンダヘッド１３の下面、つまり、燃焼室１７の天井面は、図２の下図に示すように、傾斜面１３１１と、傾斜面１３１２とによって構成されている。傾斜面１３１１は、吸気側から、後述するインジェクタ６の噴射軸心Ｘ２に向かって上り勾配となっている。傾斜面１３１２は、排気側から噴射軸心Ｘ２に向かって上り勾配となっている。燃焼室１７の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。
【００３６】
ピストン３の上面は燃焼室１７の天井面に向かって隆起している。ピストン３の上面には、キャビティ３１が形成されている。キャビティ３１は、ピストン３の上面から凹陥している。キャビティ３１は、この構成例では、浅皿形状を有している。キャビティ３１の中心は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側にずれている。
【００３７】
エンジン１の幾何学的圧縮比は、１０以上３０以下に設定されている。後述するようにエンジン１は、一部の運転領域において、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼を行う。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼による発熱と圧力上昇とを利用して、ＣＩ燃焼をコントロールする。エンジン１は、圧縮着火式である。このエンジン１は、ピストン３が圧縮上死点に至った時の燃焼室１７の温度（つまり、圧縮端温度）を高くする必要がない。エンジン１は、幾何学的圧縮比を、比較的低く設定することが可能である。幾何学的圧縮比を低くすると、冷却損失の低減、及び、機械損失の低減に有利になる。エンジン１の幾何学的圧縮比は、レギュラー仕様（燃料のオクタン価が９１程度の低オクタン価燃料）においては、１４〜１７とし、ハイオク仕様（燃料のオクタン価が９６程度の高オクタン価燃料）においては、１５〜１８としてもよい。
【００３８】
シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、吸気ポート１８が形成されている。吸気ポート１８は、図示は省略するが、第１吸気ポート及び第２吸気ポートを有している。吸気ポート１８は、燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、詳細な図示は省略するが、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート１８は、燃焼室１７の中にタンブル流が形成されるような形状を有している。
【００３９】
吸気ポート１８には、吸気弁２１が配設されている。吸気弁２１は、燃焼室１７と吸気ポート１８との間を開閉する。吸気弁２１は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図３に示すように、可変動弁機構は、吸気電動Ｓ−ＶＴ（Sequential-Valve Timing）２３を有している。吸気電動Ｓ−ＶＴ２３は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。吸気弁２１の開弁タイミング及び閉弁タイミングは、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動Ｓ−ＶＴに代えて、油圧式のＳ−ＶＴを有していてもよい。吸気弁２１及び吸気電動Ｓ−ＶＴ２３は、状態量調節部の一例である。
【００４０】
シリンダヘッド１３にはまた、シリンダ１１毎に、排気ポート１９が形成されている。排気ポート１９も、第１排気ポート及び第２排気ポートを有している。排気ポート１９は、燃焼室１７に連通している。
【００４１】
排気ポート１９には、排気弁２２が配設されている。排気弁２２は、燃焼室１７と排気ポート１９との間を開閉する。排気弁２２は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。この動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図３に示すように、可変動弁機構は、排気電動Ｓ−ＶＴ２４を有している。排気電動Ｓ−ＶＴ２４は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。排気弁２２の開弁タイミング及び閉弁タイミングは、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動Ｓ−ＶＴに代えて、油圧式のＳ−ＶＴを有していてもよい。排気弁２２及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４は、状態量調節部の一例である。
【００４２】
吸気電動Ｓ−ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４は、吸気弁２１と排気弁２２との両方が開弁するオーバーラップ期間の長さを調節する。オーバーラップ期間の長さを長くすると、燃焼室１７の中の残留ガスを掃気することができる。また、オーバーラップ期間の長さを調節することによって、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを燃焼室１７の中に導入することができる。吸気電動Ｓ−ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４は、内部ＥＧＲシステムを構成している。尚、内部ＥＧＲシステムは、Ｓ−ＶＴによって構成されるものに限らない。
【００４３】
シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、インジェクタ６が取り付けられている。インジェクタ６は、燃焼室１７の中に燃料を直接噴射する。インジェクタ６は、燃料供給部の一例である。インジェクタ６は、傾斜面１３１１と傾斜面１３１２とが交差するペントルーフの谷部に配設されている。図２に示すように、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側に位置している。インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、中心軸Ｘ１に平行である。インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２とキャビティ３１の中心とは一致している。インジェクタ６は、キャビティ３１に対向している。尚、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１と一致していてもよい。その構成の場合に、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２と、キャビティ３１の中心とは一致していてもよい。
【００４４】
インジェクタ６は、詳細な図示は省略するが、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いる。インジェクタ６は、図２に二点鎖線で示すように、燃料噴霧が、燃焼室１７の中央から放射状に広がるように燃料を噴射する。インジェクタ６は、本構成例においては、十個の噴孔を有しており、噴孔は、周方向に等角度に配置されている。
【００４５】
インジェクタ６には、燃料供給システム６１が接続されている。燃料供給システム６１は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク６３と、燃料タンク６３とインジェクタ６とを互いに連結する燃料供給路６２とを備えている。燃料供給路６２には、燃料ポンプ６５とコモンレール６４とが介設している。燃料ポンプ６５は、コモンレール６４に燃料を送る。燃料ポンプ６５は、この構成例においては、クランクシャフト１５によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール６４は、燃料ポンプ６５から送られた燃料を、高い燃料圧力で蓄える。インジェクタ６が開弁すると、コモンレール６４に蓄えられていた燃料が、インジェクタ６の噴口から燃焼室１７の中に噴射される。燃料供給システム６１は、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ６に供給することが可能である。インジェクタ６に供給する燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更してもよい。尚、燃料供給システム６１の構成は、前記の構成に限定されない。
【００４６】
シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ２５は、この構成例では、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも吸気側に配設されている。点火プラグ２５は、２つの吸気ポート１８の間に位置している。点火プラグ２５は、上方から下方に向かって、燃焼室１７の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド１３に取り付けられている。点火プラグ２５の電極は、図２に示すように、燃焼室１７の中に臨んでかつ、燃焼室１７の天井面の付近に位置している。尚、点火プラグ２５を、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側に配置してもよい。また、点火プラグ２５をシリンダ１１の中心軸Ｘ１上に配置してもよい。
【００４７】
エンジン１の一側面には吸気通路４０が接続されている。吸気通路４０は、各シリンダ１１の吸気ポート１８に連通している。燃焼室１７に導入するガスは、吸気通路４０を流れる。吸気通路４０の上流端部には、エアクリーナー４１が配設されている。エアクリーナー４１は、新気を濾過する。吸気通路４０の下流端近傍には、サージタンク４２が配設されている。サージタンク４２よりも下流の吸気通路４０は、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ１１の吸気ポート１８に接続されている。
【００４８】
吸気通路４０におけるエアクリーナー４１とサージタンク４２との間には、スロットル弁４３が配設されている。スロットル弁４３は、弁の開度を調節することによって、燃焼室１７の中への新気の導入量を調節する。スロットル弁４３は状態量調節部の一例である。
【００４９】
吸気通路４０にはまた、スロットル弁４３の下流に、過給機４４が配設されている。過給機４４は、燃焼室１７に導入するガスを過給する。この構成例において、過給機４４は、エンジン１によって駆動される機械式の過給機である。機械式の過給機４４は、ルーツ式、リショルム式、ベーン式、又は遠心式であってもよい。
【００５０】
過給機４４とエンジン１との間には、電磁クラッチ４５が介設している。電磁クラッチ４５は、過給機４４とエンジン１との間で、エンジン１から過給機４４へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ＥＣＵ１０が電磁クラッチ４５の接続及び遮断を切り替えることによって、過給機４４はオンとオフとが切り替わる。
【００５１】
吸気通路４０における過給機４４の下流には、インタークーラー４６が配設されている。インタークーラー４６は、過給機４４において圧縮されたガスを冷却する。インタークーラー４６は、例えば水冷式又は油冷式に構成してもよい。
【００５２】
吸気通路４０には、バイパス通路４７が接続されている。バイパス通路４７は、過給機４４及びインタークーラー４６をバイパスするよう、吸気通路４０における過給機４４の上流部とインタークーラー４６の下流部とを互いに接続する。バイパス通路４７には、エアバイパス弁４８が配設されている。エアバイパス弁４８は、バイパス通路４７を流れるガスの流量を調節する。
【００５３】
ＥＣＵ１０は、過給機４４をオフにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を遮断したとき）に、エアバイパス弁４８を全開にする。吸気通路４０を流れるガスは、過給機４４をバイパスして、エンジン１の燃焼室１７に導入される。エンジン１は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。
【００５４】
過給機４４をオンにすると、エンジン１は過給状態で運転する。ＥＣＵ１０は、過給機４４をオンにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を接続したとき）に、エアバイパス弁４８の開度を調節する。過給機４４を通過したガスの一部は、バイパス通路４７を通って過給機４４の上流に逆流する。ＥＣＵ１０がエアバイパス弁４８の開度を調節すると、燃焼室１７に導入するガスの過給圧が変わる。尚、過給時とは、サージタンク４２内の圧力が大気圧を超える時をいい、非過給時とは、サージタンク４２内の圧力が大気圧以下になる時をいう、と定義してもよい。
【００５５】
この構成例においては、過給機４４とバイパス通路４７とエアバイパス弁４８とによって、過給システム４９が構成されている。過給システム４９は状態量調節部の一例である。
【００５６】
エンジン１は、燃焼室１７内に、スワール流を発生させるスワール発生部を有している。スワール流は、図２に白抜きの矢印で示すように流れる。スワール発生部は、吸気通路４０に取り付けられたスワールコントロール弁５６を有している。スワールコントロール弁５６は、詳細な図示は省略するが、二つの吸気ポート１８のうちの一方の吸気ポート１８につながるプライマリ通路と、他方の吸気ポート１８につながるセカンダリ通路との内の、セカンダリ通路に配設されている。スワールコントロール弁５６は、セカンダリ通路の断面を絞ることができる開度調節弁である。スワールコントロール弁５６の開度が小さいと、一方の吸気ポート１８から燃焼室１７に入る吸気流量が相対的に多くかつ、他方の吸気ポート１８から燃焼室１７に入る吸気流量が相対的に少ないから、燃焼室１７内のスワール流が強くなる。スワールコントロール弁５６の開度が大きいと、二つの吸気ポート１８のそれぞれから燃焼室１７に入る吸気流量が略均等になるから、燃焼室１７内のスワール流が弱くなる。スワールコントロール弁５６を全開にすると、スワール流が発生しない。
【００５７】
エンジン１の他側面には、排気通路５０が接続されている。排気通路５０は、各シリンダ１１の排気ポート１９に連通している。排気通路５０は、燃焼室１７から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路５０の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダ１１の排気ポート１９に接続されている。
【００５８】
排気通路５０には、複数の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。上流の触媒コンバーターは、図示は省略するが、エンジンルーム内に配設されている。上流の触媒コンバーターは、三元触媒５１１と、ＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）５１２とを有している。下流の触媒コンバーターは、エンジンルーム外に配設されている。下流の触媒コンバーターは、三元触媒５１３を有している。尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されるものではない。例えば、ＧＰＦは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びＧＰＦの並び順は、適宜変更してもよい。
【００５９】
吸気通路４０と排気通路５０との間には、外部ＥＧＲシステムを構成するＥＧＲ通路５２が接続されている。ＥＧＲ通路５２は、排気ガスの一部を吸気通路４０に還流させるための通路である。ＥＧＲ通路５２の上流端は、排気通路５０における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。ＥＧＲ通路５２の下流端は、吸気通路４０における過給機４４の上流部に接続されている。ＥＧＲ通路５２を流れるＥＧＲガスは、バイパス通路４７のエアバイパス弁４８を通らずに、吸気通路４０における過給機４４の上流部に入る。
【００６０】
ＥＧＲ通路５２には、水冷式のＥＧＲクーラー５３が配設されている。ＥＧＲクーラー５３は、排気ガスを冷却する。ＥＧＲ通路５２にはまた、ＥＧＲ弁５４が配設されている。ＥＧＲ弁５４は、ＥＧＲ通路５２を流れる排気ガスの流量を調節する。ＥＧＲ弁５４の開度を調節することによって、冷却した排気ガス、つまり外部ＥＧＲガスの還流量を調節することができる。
【００６１】
この構成例において、ＥＧＲシステム５５は、外部ＥＧＲシステムと、内部ＥＧＲシステムとによって構成されている。外部ＥＧＲシステムは、内部ＥＧＲシステムよりも低温の排気ガスを、燃焼室１７に供給することができる。ＥＧＲシステム５５は、状態量調節部の一例である。
【００６２】
図１及び図３において、符号５７は、クランクシャフト１５に連結されたオルタネータ５７である。オルタネータ５７は、エンジン１によって駆動される。
【００６３】
内燃機関の制御装置は、エンジン１を運転するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）１０を備えている。ＥＣＵ１０は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、図３に示すように、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）１０１と、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ１０２と、電気信号の入出力をする入出力バス１０３と、を備えている。ＥＣＵ１０は、制御部の一例である。
【００６４】
ＥＣＵ１０には、図１及び図３に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１７が接続されている。センサＳＷ１〜ＳＷ１７は、信号をＥＣＵ１０に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。
【００６５】
エアフローセンサＳＷ１：吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる新気の流量を計測する
第１吸気温度センサＳＷ２：吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる新気の温度を計測する
第１圧力センサＳＷ３：吸気通路４０におけるＥＧＲ通路５２の接続位置よりも下流でかつ、過給機４４の上流に配置されかつ、過給機４４に流入するガスの圧力を計測する
第２吸気温度センサＳＷ４：吸気通路４０における過給機４４の下流でかつ、バイパス通路４７の接続位置よりも上流に配置されかつ、過給機４４から流出したガスの温度を計測する
第２圧力センサＳＷ５：サージタンク４２に取り付けられかつ、過給機４４の下流のガスの圧力を計測する
筒内圧センサＳＷ６：各シリンダ１１に対応してシリンダヘッド１３に取り付けられかつ、各燃焼室１７内の圧力を計測する
ＮＯｘセンサＳＷ７：排気通路５０における三元触媒５１３の下流に配置されかつ、三元触媒５１３を通過した排気ガス中のＮＯｘ濃度を計測する
リニアＯ２センサＳＷ８：排気通路５０における上流の触媒コンバーターよりも上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を計測する
ラムダＯ２センサＳＷ９：上流の触媒コンバーターにおける三元触媒５１１の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を計測する
水温センサＳＷ１０：エンジン１に取り付けられかつ、冷却水の温度を計測する
クランク角センサＳＷ１１：エンジン１に取り付けられかつ、クランクシャフト１５の回転角を計測する
アクセル開度センサＳＷ１２：アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する
吸気カム角センサＳＷ１３：エンジン１に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を計測する
排気カム角センサＳＷ１４：エンジン１に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を計測する
ＥＧＲ差圧センサＳＷ１５：ＥＧＲ通路５２に配置されかつ、ＥＧＲ弁５４の上流及び下流の差圧を計測する
燃圧センサＳＷ１６：燃料供給システム６１のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６に供給する燃料の圧力を計測する
第３吸気温度センサＳＷ１７：サージタンク４２に取り付けられかつ、サージタンク４２内のガスの温度、換言すると燃焼室１７に導入される吸気の温度を計測する。
【００６６】
ＥＣＵ１０は、これらのセンサＳＷ１〜ＳＷ１７の信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断すると共に、予め定められている制御ロジックに従って、各デバイスの制御量を演算する。制御ロジックは、メモリ１０２に記憶されている。制御ロジックは、メモリ１０２に記憶している運転マップを用いて、目標量及び／又は制御量を演算することを含む。
【００６７】
ＥＣＵ１００は、演算をした制御量に係る電気信号を、インジェクタ６、点火プラグ２５、吸気電動Ｓ−ＶＴ２３、排気電動Ｓ−ＶＴ２４、燃料供給システム６１、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４、過給機４４の電磁クラッチ４５、エアバイパス弁４８、スワールコントロール弁５６、及び、オルタネータ５７に出力する。
【００６８】
例えば、ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサＳＷ１２の信号と運転マップとに基づいて、エンジン１の目標トルクを設定すると共に、目標過給圧を決定する。そして、ＥＣＵ１０は、目標過給圧と、第１圧力センサＳＷ３及び第２圧力センサＳＷ５の信号から得られる過給機４４の前後差圧とに基づいて、エアバイパス弁４８の開度を調節するフィードバック制御を行うことにより、過給圧が目標過給圧となるようにする。
【００６９】
また、ＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態と運転マップとに基づいて目標ＥＧＲ率を設定する。ＥＧＲ率は、燃焼室１７の中の全ガスに対するＥＧＲガスの比である。ＥＣＵ１０は、目標ＥＧＲ率とアクセル開度センサＳＷ１２の信号に基づく吸入空気量とに基づき目標ＥＧＲガス量を決定すると共に、ＥＧＲ差圧センサＳＷ１５の信号から得られるＥＧＲ弁５４の前後差圧に基づいてＥＧＲ弁５４の開度を調節するフィードバック制御を行うことにより、燃焼室１７の中に導入する外部ＥＧＲガス量が目標ＥＧＲガス量となるようにする。
【００７０】
さらに、ＥＣＵ１０は、所定の制御条件が成立している場合に空燃比フィードバック制御を実行する。具体的にＥＣＵ１０は、リニアＯ２センサＳＷ８、及び、ラムダＯ２センサＳＷ９が計測した排気中の酸素濃度に基づいて、混合気の空燃比が所望の値となるように、インジェクタ６の燃料噴射量を調節する。
【００７１】
尚、その他のＥＣＵ１０によるエンジン１の制御の詳細は、後述する。
【００７２】
（ＳＰＣＣＩ燃焼のコンセプト）
エンジン１は、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、所定の運転状態にある場合に圧縮自己着火による燃焼を行う。自己着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン１は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼を行う。
【００７３】
ＳＰＣＣＩ燃焼は、点火プラグ２５が、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をすることによって、混合気が火炎伝播によりＳＩ燃焼をすると共に、ＳＩ燃焼の発熱により燃焼室１７の中の温度が高くなりかつ、火炎伝播により燃焼室１７の中の圧力が上昇することによって、未燃混合気が自己着火によるＣＩ燃焼をする形態である。
【００７４】
ＳＩ燃焼の発熱量を調節することによって、圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度のばらつきを吸収することができる。ＥＣＵ１０が点火時期を調節することによって、混合気を目標のタイミングで自己着火させることができる。
【００７５】
ＳＰＣＣＩ燃焼において、ＳＩ燃焼時の熱発生は、ＣＩ燃焼時の熱発生よりも穏やかである。図４は、ＳＰＣＣＩ燃焼における熱発生率の波形８０１を例示している。ＳＰＣＣＩ燃焼における熱発生率の波形８０１は、立ち上がりの傾きが、ＣＩ燃焼の波形における立ち上がりの傾きよりも小さくなる。また、燃焼室１７の中における圧力変動（ｄｐ／ｄθ）も、ＳＩ燃焼時は、ＣＩ燃焼時よりも穏やかになる。
【００７６】
ＳＩ燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火すると、自己着火のタイミングで、熱発生率の波形の傾きが、小から大へと変化する場合がある。熱発生率の波形は、ＣＩ燃焼が開始するタイミングθｃｉで、変曲点Ｘを有する場合がある。
【００７７】
ＣＩ燃焼の開始後は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とが並行して行われる。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも熱発生が大きいため、熱発生率は相対的に大きくなる。しかし、ＣＩ燃焼は、圧縮上死点後に行われるため、熱発生率の波形の傾きが大きくなりすぎることが回避される。ＣＩ燃焼時の圧力変動（ｄｐ／ｄθ）も、比較的穏やかになる。
【００７８】
圧力変動（ｄｐ／ｄθ）は、燃焼騒音を表す指標として用いることができる。前述の通りＳＰＣＣＩ燃焼は、圧力変動（ｄｐ／ｄθ）を小さくすることができるため、燃焼騒音が大きくなりすぎることを回避することが可能になる。エンジン１の燃焼騒音は、許容レベル以下に抑えられる。
【００７９】
ＣＩ燃焼が終了することによって、ＳＰＣＣＩ燃焼が終了する。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼に比べて、燃焼期間が短い。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも、燃焼終了時期が早まる。
【００８０】
ＳＰＣＣＩ燃焼の熱発生率波形は、ＳＩ燃焼によって形成された第１熱発生率部ＱＳＩと、ＣＩ燃焼によって形成された第２熱発生部ＱＣＩと、が、この順番に連続するように形成されている。
【００８１】
（エンジンの運転領域）
図５は、エンジン１の制御に係る運転マップを例示している。運転マップは、ＥＣＵ１０のメモリ１０２に記憶されている。図５に例示する運転マップ５０１は、エンジン１の半暖機時の運転マップであり、５０２は、エンジン１の温間時の運転マップである。ＥＣＵ１０は、燃焼室１７の壁温及び吸気の温度それぞれの高低に応じて運転マップ５０１又は運転マップ５０２を選択する。ＥＣＵ１０は、選択した運転マップを用いてエンジン１を制御する。
【００８２】
各運転マップ５０１、５０２は、エンジン１の負荷及び回転数によって規定されている。運転マップ５０１は、回転数の高低に対し二つの領域に分かれる。具体的に運転マップ５０１は、回転数Ｎ３以上である高回転の領域Ａ１と、低回転及び中回転の領域に広がる領域Ａ２とに分かれる。運転マップ５０２は、三つの領域に分かれる。具体的に運転マップ５０２は、前述した高回転の領域Ａ１と、低回転及び中回転の領域Ａ２と、領域Ａ２内における、Ｎ１からＮ２の所定回転数範囲でかつ、Ｌ１からＬ２の所定負荷範囲の領域Ａ３とに分かれる。
【００８３】
ここで、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域はそれぞれ、エンジン１の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にした場合の、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域としてもよい。
【００８４】
図５の運転マップ５０１、５０２は、各領域における混合気の状態及び燃焼形態を示している。エンジン１は、領域Ａ１においてＳＩ燃焼を行う。エンジン１はまた、領域Ａ２及びＡ３においてＳＰＣＣＩ燃焼を行う。以下、図５の運転マップ５０１、５０２の各領域におけるエンジン１の運転について詳細に説明をする。
【００８５】
（領域Ａ３におけるエンジンの運転）
エンジン１が領域Ａ３において運転している場合に、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。
【００８６】
エンジン１の燃費性能を向上させるために、ＥＧＲシステム５５は、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。具体的に、吸気電動Ｓ−ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４は、排気上死点付近において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。
【００８７】
混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比よりもリーンである（つまり、空気過剰率λ＞１）。より詳細に、燃焼室１７の全体において混合気のＡ／Ｆは２５以上３１以下である。こうすることで、ＲａｗＮＯｘの発生を抑制することができ、排出ガス性能を向上させることができる。スロットル弁４３は、全開である。
【００８８】
インジェクタ６が燃料噴射を終了した後、点火プラグ２５は、燃焼室１７の混合気に点火をする。領域Ａ３でエンジン１は、リーン燃焼運転を行う。
【００８９】
（領域Ａ２におけるエンジンの運転）
エンジン１が領域Ａ２において運転している場合に、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。
【００９０】
ＥＧＲシステム５５は、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。具体的に、吸気電動Ｓ−ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４は、排気上死点付近において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。内部ＥＧＲガスが、燃焼室１７の中に導入される。また、ＥＧＲシステム５５は、領域Ａ２の少なくとも一部の領域において、ＥＧＲクーラー５３によって冷却した排気ガスを、ＥＧＲ通路５２を通じて燃焼室１７の中に導入する。つまり、内部ＥＧＲガスに比べて温度が低い外部ＥＧＲガスが、燃焼室１７の中に導入される。外部ＥＧＲガスは、燃焼室１７の中の温度を、適切な温度に調節する。ＥＧＲシステム５５は、エンジン１の負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らす。ＥＧＲシステム５５は、全開負荷において、内部ＥＧＲガス及び外部ＥＧＲガスを含むＥＧＲガスを、ゼロにしてもよい。
【００９１】
混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）である。三元触媒５１１、５１３が、燃焼室１７から排出された排出ガスを浄化することによって、エンジン１の排出ガス性能は良好になる。混合気のＡ／Ｆは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２としてもよい。尚、エンジン１が、全開負荷（つまり、最高負荷）において運転している場合には、混合気のＡ／Ｆは、燃焼室１７の全体において理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにしてもよい（つまり、混合気の空気過剰率λは、λ≦１）。スロットル弁４３は、全開又は中間開度に調節される。
【００９２】
燃焼室１７内にＥＧＲガスを導入しているため、燃焼室１７の中の全ガスと燃料との重量比であるＧ／Ｆは理論空燃比よりもリーンになる。混合気のＧ／Ｆは１８以上にしてもよい。こうすることで、いわゆるノッキングの発生を抑制することができる。Ｇ／Ｆは１８以上３０以下において設定してもよい。また、Ｇ／Ｆは１８以上５０以下において設定してもよい。
【００９３】
点火プラグ２５は、インジェクタ６が燃料の噴射を行った後、圧縮上死点付近の所定のタイミングで混合気に点火をする。領域Ａ２においてエンジン１は、ストイキ燃焼運転を行う。
【００９４】
（領域Ａ１におけるエンジンの運転）
エンジン１の回転数が高いと、クランク角が１°変化するのに要する時間が短くなる。エンジン１の回転数が高くなると、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うことが困難になる。
【００９５】
そこで、エンジン１が領域Ａ１において運転している場合に、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼ではなく、ＳＩ燃焼を行う。
【００９６】
ＥＧＲシステム５５は、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。ＥＧＲシステム５５は、負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らす。ＥＧＲシステム５５は、全開負荷では、ＥＧＲガスをゼロにしてもよい。
【００９７】
混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、基本的には、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）である。混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２とすればよい。尚、エンジン１が全開負荷の付近において運転している場合には、混合気の空気過剰率λは１未満であってもよい。スロットル弁４３は、全開又は中間開度に調節される。
【００９８】
点火プラグ２５は、インジェクタ６が燃料の噴射を終了した後、圧縮上死点付近の適宜のタイミングで、混合気に点火を行う。
【００９９】
（運転マップのレイヤ構造）
運転マップ５０１、５０２は、図６に示すように、第１レイヤ６０１と第２レイヤ６０２との組み合わせによって構成されている。第１レイヤ６０１は、前述した運転マップ５０１に対応する。第１レイヤ６０１は、領域Ａ１と領域Ａ２とを含んでいる。
【０１００】
第２レイヤ６０２は、第１レイヤ６０１の上に重なるレイヤである。第２レイヤ６０２は、エンジン１の運転領域の一部に相当する。具体的に第２レイヤ６０２は、前述した運転マップ５０２における領域Ａ３に対応する。
【０１０１】
第２レイヤ６０２は、燃焼室１７の壁温及び吸気の温度それぞれの高低に応じて選択される。燃焼室１７の壁温が低い、又は、吸気温が低いときには、第２レイヤ６０２が選択されないで、第１レイヤ６０１のみによって運転マップ５０１が構成される。
【０１０２】
燃焼室１７の壁温が高くかつ、吸気温が高いときには、第２レイヤ６０２が選択され、第１レイヤ６０１及び第２レイヤ６０２を重ねることにより運転マップ５０２が構成される。運転マップ５０２における領域Ａ３は、そこにおいて最上位の第２レイヤ６０２が有効になり、領域Ａ１及び領域Ａ３以外の領域Ａ２は、第１レイヤ６０１が有効になる。
【０１０３】
燃焼室１７の壁温が高くかつ、吸気温度が高いと、理論空燃比よりもリーンな混合気を、安定してＳＰＣＣＩ燃焼させることができる。第２レイヤ６０２を選択することにより、エンジン１の一部の運転領域において、リーン混合気がＳＰＣＣＩ燃焼する。エンジン１の燃費性能が向上する。
【０１０４】
燃焼室１７の壁温が低い、又は、吸気温度が低いと、エンジン１は、理論空燃比よりもリーンな混合気を安定してＳＰＣＣＩ燃焼させることはできないが、理論空燃比又はほぼ理論空燃比の混合気を、安定してＳＰＣＣＩ燃焼させることができる。エンジン１の一部の運転領域において、ＳＩ燃焼ではなく、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うことによってエンジン１の燃費性能が向上する。
【０１０５】
（エンジンの運転モードの切り替え）
ＥＣＵ１０は、負荷と回転数とによって定まる運転点と運転マップ５０１、５０２とに基づいて、エンジン１をＳＰＣＣＩ燃焼又はＳＩ燃焼で運転させると共に、ＳＰＣＣＩ燃焼時には、ストイキ燃焼モード又はリーン燃焼モードで、エンジン１を運転させる。エンジン１の運転点が変化すると、エンジン１はストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへ切り替わったり、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへ切り替わったりする。
【０１０６】
図７は、エンジン１の運転マップにおいて、エンジン１の運転点が変化する一例を示している。図７の例は、領域Ａ２においてストイキ燃焼モードでエンジン１が運転している運転点７０１から、例えば運転者のアクセル操作に伴いエンジン１の負荷が下がりかつ、回転数が上がることによって、領域Ａ３内の運転点７０２へ移行した場合を示す。エンジン１の運転点は、領域Ａ２とＡ３との境界（ここでは、負荷Ｌ２の境界）を跨いで、領域Ａ２からＡ３へと移行している。
【０１０７】
エンジン１の運転点が領域Ａ２から領域Ａ３へと移行すると、ＥＣＵ１０は、領域Ａ３に対応するように、リーン燃焼モードでエンジン１を運転させることになる。しかしながら、混合気の空燃比を、理論空燃比からリーンへと変更するには、燃焼室１７内の状態量を大きく変更しなければならない。また、図７に一点鎖線で示すように、エンジン１の運転点は、領域Ａ３をそのまま通過して、直ぐにまた、領域Ａ２の運転点７０３へ移行する場合もある。さらに、図示は省略するが、運転者がアクセル操作のオンオフを繰り返すことによって、エンジン１の運転点が、例えば負荷Ｌ２の境界を繰り返し跨ぐように、変化する場合もある。
【０１０８】
加えて、リーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとは燃焼形態が相違するため、燃焼音が異なる。燃焼形態の切り替えによって燃焼音が急激に変化すると、乗員に違和感を与える恐れがある。そため、燃焼形態の切り替え時には、アクセル踏み込み量等に基づいて設定される目標トルクに対して、点火時期の遅角により、発生トルクを所定量低下させて運転する期間を設けている。
【０１０９】
上述した理由から、エンジン１の運転点が、リーン燃焼モードで運転する領域Ａ３と、ストイキ燃焼モードで運転する領域Ａ２との間を頻繁に行き来してしまうと、筒内状態量の調節が間に合わなくなり、燃焼が不安定になったり、燃焼形態の切り替えのためのトルクダウン運転が頻繁に入ったりして燃費性能が悪化してしまう恐れがある。
【０１１０】
そこで、このエンジン１は、エンジン１の運転点が領域Ａ２と領域Ａ３との境界を跨いで、領域Ａ２から領域Ａ３へ移行する場合に、運転点が移行した領域に滞在する時間を予測し、その滞在時間の長さに応じて、燃焼モードを切り替えたり、燃焼モードの切り替えを禁止したりする。これにより、頻繁な燃焼モードの切り替えに伴い燃焼が不安定性になることを抑制して、燃費性能の悪化を抑制する。
【０１１１】
図８は、燃焼モードの切り替えに関する制御を実行するＥＣＵ１０の機能ブロックを例示している。ＥＣＵ１０は、移行判断部１０４と、予測部１０５と、燃焼モード切替部１０６とを有している。
【０１１２】
移行判断部１０４は、前述した各センサＳＷ１〜ＳＷ１７の信号に基づいて、エンジン１の運転点を判断する。移行判断部１０４はまた、その運転点と、メモリ１０２に記憶している運転マップ５０２とに基づいて、エンジン１の運転点が、領域Ａ２から領域Ａ３へ移行したか、又は、領域Ａ３から領域Ａ２へ移行したかの判断を行う。
【０１１３】
予測部１０５は、移行判断部１０４が、領域Ａ２から領域Ａ３への運転点の移行を判断した場合に、運転点が移行した領域Ａ３内に滞在する時間を予測する。具体的に予測部１０５は、移行した領域Ａ３内の運転点から、領域Ａ２と領域Ａ３との境界までの距離と、運転点が領域Ａ２と領域Ａ３との境界を跨いて領域Ａ３へ移行した時の速度とに基づいて、滞在時間を予測する。
【０１１４】
例えば図７に示すように、運転点７０１から運転点７０２へ移行した場合を考える。運転点７０１の負荷及び圧力をそれぞれ、Ｐi-1及びＮＥi-1とし、運転点７０２の負荷及び圧力をそれぞれ、Ｐi及びＮＥiとすると、領域Ａ３内の運転点７０２から、領域Ａ２と領域Ａ３との境界までの距離は、負荷方向については、｜Ｐth−Ｐi｜で表され、回転数方向については、ＮＥth−ＮＥiで表される。ここで、領域Ａ２と領域Ａ３との境界は、運転点の移動方向の先に位置する境界である。図７の例では、負荷方向の境界は、負荷Ｌ１に相当し（つまり、Ｐth＝Ｌ１）、回転数方向の境界は、回転数Ｎ２に相当する（つまり、ＮＥth＝Ｎ２）。
【０１１５】
また、図７の例では、運転点の負荷方向の速度ΔＰは、運転点７０１から運転点７０２への移行に要した時間Δｔを用いて、ΔＰ＝｜Ｐi−Ｐi-1｜／Δｔで表され、回転数方向の速度ΔＮＥは、ΔＮＥ＝｜ＮＥi−ＮＥi-1｜／Δｔで表される。
【０１１６】
ここで、負荷方向についての滞在時間は、｜Ｐth−Ｐi｜／ΔＰで表し、回転数方向についての滞在時間は、｜ＮＥth−ＮＥi｜／ΔＮＥで表す。
【０１１７】
燃焼モード切替部１０６は、予測部１０５が予測した滞在時間｜Ｐth−Ｐi｜／ΔＰ及び｜ＮＥth−ＮＥi｜／ΔＮＥに基づいて、滞在時間が予め設定した基準時間以上の場合は、運転点が、領域Ａ３内に滞在する時間が長いと判断する。燃焼モード切替部１０６は、移行した領域Ａ３に対応するリーン燃焼モードに切り替える。
【０１１８】
一方、燃焼モード切替部１０６は、滞在時間が基準時間未満の場合は、運転点が、領域Ａ３内に滞在する時間が短いと判断する。燃焼モード切替部１０６は、移行した領域Ａ３に対応するリーン燃焼モードに切り替えることを禁止し、移行前の領域Ａ２に対応するストイキ燃焼モードを継続する。
【０１１９】
燃焼モード切替部１０６は、設定した燃焼モードに応じて、インジェクタ６、吸気電動Ｓ−ＶＴ２３、排気電動Ｓ−ＶＴ２４、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４及びエアバイパス弁４８に信号を出力し、燃焼室１７内の状態量を調節する。つまり、混合気を理論空燃比又は理論空燃比よりもリーンにする。
【０１２０】
次に、図９のフローチャートを参照しながら、ＥＣＵ１０が実行する、エンジンの燃焼モードの切り替えに係る制御について説明する。尚、図９のフローチャートにおける各ステップの順番は入れ替えることも可能である。
【０１２１】
図９のフローチャートのステップＳ１において、ＥＣＵ１０は、各センサＳＷ１〜ＳＷ１７の信号を読み込み、続くステップＳ２において、ＥＣＵ１０は、エンジン１の運転点を判断する。次のステップＳ３において、ＥＣＵ１０の移行判断部１０４は、ステップＳ２で判断した運転点と、メモリ１０２に記憶している運転マップ５０１、５０２とに基づいて、エンジン１の運転点の領域の変更がないか否かを判断する。ステップＳ３の判断がＮＯの場合、プロセスはステップＳ４に進み、ＹＥＳの場合、プロセスはステップＳ９に進む。
【０１２２】
領域が変更したステップＳ４において、ＥＣＵ１０の予測部１０５は、図７に例示したように、運転マップにおける、負荷方向の境界と運転点との距離｜Ｐth−Ｐi｜と、回転数方向の境界と運転点との距離｜ＮＥth−ＮＥi｜を演算する。ここでの境界は、前述したように、運転点の移動方向に応じて、Ｌ１、Ｌ２、Ｎ１又はＮ２に設定される。
【０１２３】
次のステップＳ５において予測部１０５は、負荷方向の運転点の変化速度ΔＰと、回転数方向の運転点の変化速度ΔＮＥとを演算する。
【０１２４】
そして、ステップＳ６において燃焼モード切替部１０６は、負荷方向の滞在時間｜Ｐth−Ｐi｜／ΔＰが基準時間以上であるか否かを判断する。ステップＳ６の判断がＹＥＳであれば、プロセスはステップＳ７に進む。ＮＯであれば、プロセスはステップＳ９に進む。
【０１２５】
ステップＳ７において燃焼モード切替部１０６は、回転数方向の滞在時間｜ＮＥth−ＮＥi｜／ΔＮＥが基準時間以上であるか否かを判断する。ステップＳ７の判断がＹＥＳであれば、プロセスはステップＳ８に進む。ＮＯであれば、プロセスはステップＳ９に進む。
【０１２６】
ステップＳ８において燃焼モード切替部１０６は、運転点の滞在時間が長いと判断したため、運転点に対応する燃焼モードに切り替える。つまり、運転点が領域Ａ２へ移行した場合は、領域Ａ２に対応するよう、ストイキ燃焼モードに切り替え、領域Ａ３へ移行した場合は、領域Ａ３に対応するよう、リーン燃焼モードに切り替える。
【０１２７】
一方、ステップＳ９において燃焼モード切替部１０６は、当該運転点において、燃焼モードを切り替えないで維持することが可能か否かを判断する。プロセスがステップＳ９へ移行する場合の一つは、ステップＳ３において、エンジン１の運転点が領域の変更を伴っていないと判断された場合である。この場合は領域がそもそも変更しないため、ステップＳ９の判断はＹＥＳになり、プロセスはステップＳ１０に進む。燃焼モード切替部１０６は、燃焼モードを変更しない。
【０１２８】
また、前述したステップＳ６又はステップＳ７の判断がＮＯであった場合もプロセスはステップＳ９へ移行する。この場合は、運転点が領域Ａ２からＡ３へと移行したものの、滞在時間が短いと判断された場合と、運転点が領域Ａ３からＡ２へと移行したものの、滞在時間が短いと判断された場合と、の二通りがある。
【０１２９】
運転点が領域Ａ２からＡ３へと移行したものの、滞在時間が短いと判断された場合、ステップＳ９において燃焼モード切替部１０６は、ストイキ燃焼モードを維持可能か否か、を判断する。図６に例示するように、運転マップ５０２は、第１レイヤ６０１と第２レイヤ６０２とを重ねており、運転点７０２は、第１レイヤ６０１の運転点であると共に、第２レイヤ６０２の運転点である。領域Ａ３内の運転点７０２は、ストイキ燃焼モード及びリーン燃焼モードの両方の燃焼モードを実行することができる。そのため、ステップＳ９の判断はＹＥＳとなり、プロセスはステップＳ１０に進む。運転点が領域Ａ２から領域Ａ３へ移行したものの、燃焼モード切替部１０６は、ストイキ燃焼モードを継続する。
【０１３０】
一方、運転点が領域Ａ３からＡ２へと移行したものの、滞在時間が短いと判断された場合、ステップＳ９において燃焼モード切替部１０６は、リーン燃焼モードを維持可能か否か、を判断する。運転マップ５０２における領域Ａ２の運転点（例えば運転点７０３）は、第１レイヤ６０１の運転点であるが、第２レイヤ６０２の運転点ではない。領域Ａ２内の運転点は、リーン燃焼モードを実行することができない。そのため、ステップＳ９の判断はＮＯとなり、プロセスはステップＳ８に進む。この場合、燃焼モード切替部１０６は、ストイキ燃焼モードに切り替える。
【０１３１】
従って、運転点が領域Ａ２から領域Ａ３へ移行した場合は、運転点の領域Ａ３の滞在時間の予測に応じて、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへ切り替えたり、ストイキ燃焼モードを継続したりする。これにより、運転モードが頻繁に切り替わることが抑制されるから、燃焼が不安定になることを抑止して、燃費性能の悪化を抑制することができる。
【０１３２】
一方、運転点が領域Ａ３から領域Ａ２へ移行した場合は、リーン燃焼モードが実行不可であるため、ＥＣＵ１０は、ストイキ燃焼モードへ必ず切り替える。これにより、理論空燃比の混合気を安定的に燃焼させることができる。
【０１３３】
前記の構成では、距離と速度とから求めた値（つまり滞在時間）に応じて、燃焼モードの切り替えを行っているが、距離に応じて燃焼モードの切り替えを行ってもよい。図１０は、距離に応じて燃焼モードの切り替えを行う制御のフローチャートの一部を示している。図１０のフローチャートにおいて、図９に示すフローチャートと同じステップは同じ符号を付している。図１０のフローチャートは、図９のフローチャートのステップＳ５を省略すると共に、ステップＳ６及びＳ７をそれぞれ、ステップＳ６１及びＳ７１に置き換えている。
【０１３４】
ステップＳ６１において燃焼モード切替部１０６は、負荷方向の距離｜Ｐth−Ｐi｜が基準値以上であるか否かを判断する。距離が長いと運転点の滞在時間が長いと予測することができる。ステップＳ６１の判断がＹＥＳの場合、プロセスはステップＳ７１に進み、ＮＯの場合、プロセスはステップＳ９に進む。
【０１３５】
同様に、ステップＳ７１において燃焼モード切替部１０６は、回転数方向の距離｜ＮＥth−ＮＥi｜が基準値以上であるか否かを判断する。この場合も、距離が長いと運転点の滞在時間が長いと予測することができる。ステップＳ７１の判断がＹＥＳの場合、プロセスはステップＳ８に進み、燃焼モードを切り替える。ＮＯの場合、プロセスはステップＳ９に進む。
【０１３６】
このように、負荷方向の距離及び回転数方向の距離に基づいて滞在時間の長短を予測することができる。ＥＣＵ１０は、負荷方向の距離及び回転数方向の距離に基づいて、燃焼モードの切り替えを適切に行うことができる。
【０１３７】
図１１は、速度に応じて燃焼モードの切り替えを行う制御のフローチャートの一部を示している。図１１のフローチャートにおいて、図９に示すフローチャートと同じステップは同じ符号を付している。図１１のフローチャートは、図９のフローチャートのステップＳ４を省略すると共に、ステップＳ６及びＳ７をそれぞれ、ステップＳ６２及びＳ７２に置き換えている。
【０１３８】
ステップＳ６２において燃焼モード切替部１０６は、負荷方向の速度ΔＰが基準値未満であるか否かを判断する。速度が遅いと運転点の領域内の滞在時間が長いと予測することができる。ステップＳ６１の判断がＹＥＳの場合、プロセスはステップＳ７２に進み、ＮＯの場合、プロセスはステップＳ９に進む。
【０１３９】
同様に、ステップＳ７２において燃焼モード切替部１０６は、回転数方向の速度ΔＮＥが基準値未満であるか否かを判断する。前記と同様に、速度が遅いと運転点の領域内の滞在時間が長いと予測することができる。ステップＳ７２の判断がＹＥＳの場合、プロセスはステップＳ８に進み、燃焼モードを切り替える。ＮＯの場合、プロセスはステップＳ９に進む。
【０１４０】
このように、負荷方向の速度及び回転数方向の速度に基づいて滞在時間の長短を予測することができるから、ＥＣＵ１０は、負荷方向の速度及び回転数方向の速度に基づいて燃焼モードの切り替えを適切に行うことができる。
【０１４１】
但し、運転マップ５０２上において、負荷方向及び回転数方向の距離が長くても、負荷方向及び回転数方向へ移動する速度が速いと、運転点が第２領域から第１領域へと移行するまでの時間が短い可能性がある。つまり、滞在時間が短くなる可能性がある。
【０１４２】
逆に、運転マップ５０２上において、負荷方向及び回転数方向の距離が短くても、負荷方向及び回転数方向の速度が遅いと、運転点が第２領域から第１領域へと移行するまでの時間が長い可能性がある。つまり、滞在時間が長くなる可能性がある。
【０１４３】
図９に示すように、距離と速度との両方を用いることによって、運転点の滞在時間を
より精度良く予測することができ、燃費の向上により有利になる。
【０１４４】
尚、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン１に適用することに限定されない。エンジン１の構成は、様々な構成を採用することが可能である。
【符号の説明】
【０１４５】
１  エンジン（内燃機関）
１０  ＥＣＵ（制御部）
１０４  移行判断部
１０５  予測部
１０６  燃焼モード切替部
ＳＷ１  エアフローセンサ
ＳＷ２  第１吸気温度センサ
ＳＷ３  第１圧力センサ
ＳＷ４  第２吸気温度センサ
ＳＷ５  第２圧力センサ
ＳＷ６  筒内圧センサ
ＳＷ７  ＮＯｘセンサ
ＳＷ８  リニアＯ２センサ
ＳＷ９  ラムダＯ２センサ
ＳＷ１０  水温センサ
ＳＷ１１  クランク角センサ
ＳＷ１２  アクセル開度センサ
ＳＷ１３  吸気カム角センサ
ＳＷ１４  排気カム角センサ
ＳＷ１５  ＥＧＲ差圧センサ
ＳＷ１６  燃圧センサ
ＳＷ１７  第３吸気温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2020172902.tif 000010
【図９】
2020172902.tif 000011
【図１０】
2020172902.tif 000012
【図１１】
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