(57)【要約】  エンジン制御装置は、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、を備える筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンを制御する。エンジン制御装置は、排気通路に介装される排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、燃料噴射タイミングが圧縮行程中であって、点火タイミングを遅らせる触媒暖機運転を実行し、触媒暖機運転の実行中に、ピストン冠面温度に応じてピストン冠面温度が上昇するようにバルブオーバーラップ量を増大させる。
2016170583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、
を備える筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンを制御するエンジン制御装置において、
排気通路に介装される排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、点火タイミングを遅らせる触媒暖機運転を実行し、
前記触媒暖機運転の実行中に、ピストン冠面温度に応じてバルブオーバーラップ量を増大させるエンジン制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジン制御装置において、
前記バルブオーバーラップ量の増大量を前記筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンが安定して燃焼できる範囲で制限するエンジン制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のエンジン制御装置において、
少なくとも前記暖機運転の実行中は、燃料の一部を吸気行程中にも噴射するエンジン制御装置。
【請求項４】
筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、
を備える筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンを制御するエンジン制御方法において、
排気通路に介装される排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、圧縮行程中に燃料を噴射し、かつ点火タイミングを遅らせる触媒暖機運転を実行し、
前記触媒暖機運転の実行中に、ピストン冠面温度に応じてバルブオーバーラップ量を増大させるエンジン制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンを制御するエンジン制御装置及びエンジン制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの冷間運転時におけるエミッションの悪化を抑制するために、機関始動時の運転状態に応じてバルブオーバーラップ期間を変化させる制御が特開２００６−３２９１４４号公報に開示されている。当該制御はポート噴射式エンジンにおいて、バルブオーバーラップ期間中に吸気ポートに吹き返す既燃ガスを利用して、吸気ポート壁に付着して液化した燃料の気化を促進するものである。吸気ポートは冷却水温により昇温されるので、機関始動からの経過時間に伴って冷却水温が上昇すると、吸気ポートの温度も上昇する。そこで、上記文献の制御では、冷却水温の上昇に伴ってバルブオーバーラップ期間が徐々に短くなるよう制御される。
【発明の概要】
【０００３】
ところで、筒内に燃料を直接的に噴射する筒内直接噴射式火花点火エンジンの場合には、ポート内に壁流は生じないが、ピストン冠面に衝突した燃料の一部が液化する場合がある。特に、冷間運転時にはピストン冠面に設けたキャビティを利用して点火プラグ周りに成層混合気を形成し、圧縮上死点後の点火タイミングで成層燃焼を実行するエンジンでは、キャビティで液状になった燃料が当該燃焼サイクル中に燃焼せずに徐々に蓄積することがある。このようにして蓄積した液状燃料が、その後のエンジン運転中に燃焼火炎によって着火されると、排気微粒子（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ）の排出量（以下、ＰＮ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｎｕｍｂｅｒともいう）増大を招くこととなる。そこで、筒内直接噴射式火花点火エンジンの冷間運転時におけるエミッションの悪化を抑制するためには、ピストン冠面に液状化燃料が蓄積することを抑制する必要がある。このように、ポート噴射式エンジンと筒内直接噴射式火花点火エンジンとでは、冷間運転時に昇温させるべき部位や昇温する目的が異なる。したがって、上記文献の制御では、筒内直接噴射式火花点火エンジンの冷間運転時における液状燃料の蓄積を抑制する効果、つまりＰＮの増大を抑制することができないおそれがある。
【０００４】
そこで本発明では、ＰＮの増大を抑制し得るように筒内直接噴射式火花点火を制御することを目的とする。
【０００５】
本発明のある態様によれば、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、を備える筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンを制御するエンジン制御装置が提供される。エンジン制御装置は、排気通路に介装される排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、点火タイミングを遅らせる触媒暖機運転を実行する。そして、エンジン制御装置は、触媒暖機運転の実行中に、ピストン冠面温度に応じてバルブオーバーラップ量を増大させる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、第１実施形態を適用するエンジンの概略構成図である。
【図２】図２は、ＰＮの増加を抑制するための制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】図３は、第１実施形態の制御で用いる、燃料噴射タイミング進角量を設定したテーブルである。
【図４】図４は、第１実施形態の制御を実行した場合の燃料噴射タイミングを示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態の制御で用いる、バルブオーバーラップ期間の長さを設定したテーブルである。
【図６】図６は、図５のテーブルから算出したバルブオーバーラップ期間を実現するためのバルブタイミングを設定したテーブルである。
【図７】図７は、点火タイミング補正用のマップである。
【図８】図８は、第１実施形態の制御を実行した場合のタイミングチャートである。
【図９】図９は、シリンダ壁面温度、バルブオーバーラップ量及び燃焼安定度の関係を示すマップである。
【図１０】図１０は、第２実施形態の制御で用いる、バルブオーバーラップ期間の長さを設定したテーブルである。
【図１１】図１１は、図１０のテーブルから算出したバルブオーバーラップ期間を実現するためのバルブタイミングを設定したテーブルである。
【図１２】図１２は、ダンパー期間を設けない場合の燃料噴射タイミングを示す図である。
【図１３】図１３は、燃料噴射タイミングの他の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【０００８】
図１は、本実施形態を適用する筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン（以下、「エンジン」ともいう）１の、燃焼室周辺の概略構成図である。なお、図１はひとつの気筒についてのみ示しているが、本実施形態は多気筒エンジンにも適用可能である。
【０００９】
エンジン１のシリンダブロック１Ｂはシリンダ２を備える。シリンダ２にはピストン３が往復動可能に収められている。ピストン３はコネクティングロッド１２を介して図示しないクランクシャフトと連結されており、クランクシャフトが回転することにより往復動する。また、ピストン３は冠面３Ａ（以下、ピストン冠面３Ａともいう）に後述するキャビティ１０を備える。
【００１０】
エンジン１のシリンダヘッド１Ａは凹状の燃焼室１１を備える。燃焼室１１は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、吸気側の傾斜面には一対の吸気バルブ６が、排気側の傾斜面には一対の排気バルブ７がそれぞれ配置されている。そして、これら一対の吸気バルブ６及び一対の排気バルブ７に囲まれた燃焼室１１の略中心位置に、点火プラグ８がシリンダ２の軸線に沿うように配置されている。
【００１１】
また、シリンダヘッド１Ａの、一対の吸気バルブ６に挟まれた位置には、燃料噴射弁９が燃焼室１１に臨むように配置されている。燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の指向性については後述する。
【００１２】
吸気バルブ６及び排気バルブ７は、図示しない可変動弁機構により駆動される。可変動弁機構は、吸気バルブ６及び排気バルブ７がいずれも開弁したバルブオーバーラップ期間が生じるように、吸気バルブ６及び排気バルブ７のバルブタイミング、つまり開弁タイミング及び閉弁タイミング、を変化させ得るものであれば足りる。なお、開弁タイミングとは開弁動作を開始するタイミング、閉弁タイミングとは閉弁動作を終了するタイミングである。本実施形態では、吸気バルブ６を駆動するカムシャフト及び排気バルブ７を駆動するカムシャフトの、クランクシャフトに対する回転位相を変化させる公知の可変動弁機構を用いる。なお、回転位相だけでなく吸気バルブ及び排気バルブの作動角も変化させ得る公知の可変動弁機構を用いてもよい。
【００１３】
排気通路５の排気流れ下流側には、エンジン１の排気ガスを浄化するための排気浄化触媒が介装されている。排気浄化触媒は、例えば三元触媒である。
【００１４】
ピストン３は、上述したようにピストン冠面３Ａにキャビティ１０を備える。キャビティ１０は、ピストン冠面３Ａにおいて吸気側に偏った位置に設けられている。そして、燃料噴射弁９は、ピストン３が上死点近傍にあるときに燃料噴射すると、燃料噴霧がこのキャビティ１０を指向するように配置されている。キャビティ１０に衝突した燃料噴霧が、キャビティ１０の壁面に沿って巻き上げられて点火プラグ８の方向へ向かう形状になっている。
【００１５】
エンジン１の燃料噴射量、燃料噴射タイミング、及び点火時期等は、コントローラ１００によりエンジン１の運転状態に応じて制御される。なお、燃料噴射タイミングとは、燃料噴射を開始するタイミングである。また、これらの制御を実行するために、エンジン１はクランクシャフト角度センサ、冷却水温センサ、吸入空気量を検出するエアフローメータ等の各種検出装置を備える。
【００１６】
次に、コントローラ１００が実行する、エンジン１の始動時における制御について説明する。本実施形態では、１燃焼サイクルあたりに必要な燃料量を２回に分けて噴射する、いわゆる２段噴射を行うこととする。
【００１７】
排気浄化触媒は、活性化温度より低温では十分な浄化性能を発揮しない。このため、排気浄化触媒が活性化温度より低温である冷機始動時には、排気浄化触媒を早期に昇温する必要がある。そこで、コントローラ１００は、冷間始動直後のアイドル状態で排気浄化触媒が不活性状態にある場合に、排気浄化触媒を早期に活性化させるために超リタード成層燃焼を実行する。なお、超リタード成層燃焼そのものは公知（特開２００８−２５５３５号公報参照）である。
【００１８】
超リタード成層燃焼では、コントローラ１００は点火タイミングを膨張行程の前半の、例えば圧縮上死点後１５−３０ｄｅｇに設定する。また、コントローラ１００は１回目の燃料噴射タイミングを吸気行程の前半に設定し、２回目の燃料噴射タイミングを圧縮行程の後半の、燃料噴霧が点火タイミングまでに点火プラグ８の周辺に到達し得るタイミング、例えば圧縮上死点前５０−６０ｄｅｇに設定する。
【００１９】
ここで、１回目の燃料噴射量と２回目の燃料噴射量とについて説明する。
【００２０】
上述した超リタード成層燃焼で排出される排気ガスの空燃比はストイキ（理論空燃比）である。コントローラ１００は一般的な燃料噴射量設定方法と同様に、１燃焼サイクル当たりの吸入空気量で完全燃焼させ得る燃料量（以下、トータル燃料量ともいう）を算出する。このトータル燃料量のうちの一部、例えば５０−９０重量％を１回目の噴射量とし、残りを２回目の噴射量とする。
【００２１】
上記のように燃料噴射量を設定すると、１回目の燃料噴射で噴射された燃料噴霧は、キャビティ１０に衝突することなくシリンダ２内に拡散し、空気と混合して燃焼室１１の全域にストイキよりもリーンな均質混合気を形成する。そして、２回目の燃料噴射で噴射された燃料噴霧は、キャビティ１０に衝突し、巻き上げられることによって点火プラグ８の近傍に到達し、点火プラグ８の周りにストイキよりもリッチな混合気を集中的に形成する。これにより燃焼室１１内の混合気は成層状態となる。この状態で点火プラグ８により火花点火すれば、失火やスモーク発生が抑制された外乱に強い燃焼が行われる。ところで、上述した燃焼は成層燃焼であるが、点火タイミングが圧縮上死前である一般的な成層燃焼と区別するために、超リタード成層燃焼と称する。
【００２２】
上記のような超リタード成層燃焼によれば、従来の均質ストイキ燃焼と比較して排気温度を上昇させることができるだけでなく、燃焼室１１から排気通路５へのハイドロカーボン（ＨＣ）排出量を低減できる。すなわち、超リタード成層燃焼によれば、従来の均質ストイキ燃焼だけ、成層燃焼だけ、或いは、これらに対し更に追加燃料を燃焼後期以降（膨張行程以降や排気行程中）に噴射する燃焼形態等、で暖機を行なわせる場合に比べて、始動開始から排気浄化触媒が活性化するまでの間における大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、排気浄化触媒の早期活性化を実現することができる。
【００２３】
ところで、超リタード成層燃焼の実行中にピストン冠面３Ａに衝突した燃料の一部は、点火プラグ８の方向に巻きあがらずに、ピストン冠面３Ａに付着する。ピストン冠面３Ａに燃料が付着した場合でも、付着した燃料が気化して当該燃焼サイクルで燃焼すれば、ピストン冠面３Ａに燃料が残留することはない。しかし、超リタード成層燃焼を実行するのは冷機始動時なので、ピストン冠面温度（以下、ピストン冠面温度ともいう）が上昇するまでは、付着した燃料は気化し難い。また、付着した燃料が当該燃焼サイクルの燃焼火炎が伝播することによって燃焼すれば、ピストン冠面３Ａに燃料が残留することはない。しかし、超リタード成層燃焼では膨張行程で燃焼を開始するので、燃焼火炎がピストン冠面３Ａに到達しなかったり、または膨張行程後半で温度低下した状態でピストン冠面３Ａに到達することとなったりするので、付着した燃料を当該サイクル中に燃やし切ることは難しい。なお、ピストン冠面３Ａに残留している液状燃料が燃焼火炎によって点火されて燃焼する現象をプールファイヤと称する。
【００２４】
したがって、冷機始動してからの所定期間は、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料は増加し続ける。ここでいう所定期間とは、１燃焼サイクル中にピストン冠面３Ａに付着する量よりも、ピストン冠面３Ａに残留していた液状燃料が１燃焼サイクル中に気化する量の方が多くなるまでの期間である。
【００２５】
つまり、所定期間を超えて超リタード成層燃焼を継続すれば、ピストン冠面３Ａに残留していた液所燃料は徐々に減少する。しかし、所定期間経過前に、ピストン冠面３Ａに液状燃料が残留した状態で超リタード成層燃焼から均質ストイキ燃焼に切り替わる場合がある。例えば、排気浄化触媒が活性化した場合や、アクセルペダルが踏み込まれて加速する場合である。なお、ここでいう均質ストイキ燃焼とは、燃焼室１１の全体に理論空燃比の混合気を形成し、最適点火時期（ＭＢＴ：ｍｉｎｉｍｕｍ  ａｄｖａｎｃｅ  ｆｏｒ  ｂｅｓｔ  ｔｏｒｑｕｅ）で火花点火する燃焼形態である。
【００２６】
ピストン冠面３Ａに液状燃料が残留している状態で均質ストイキ燃焼に切り替わると、燃焼火炎が高温のままピストン冠面３Ａに到達してプールファイヤが生じ、残留している液状燃料が燃焼する。このように、今回の燃焼サイクルまでに蓄積した液状燃料が燃焼すると、ＰＮが増加する傾向がある。
【００２７】
そこで本実施形態では、液状燃料が燃焼することによるＰＮの増加を抑制するために、コントローラ１００が以下に説明する制御を実行する。
【００２８】
図２は、コントローラ１００が実行するＰＮの増加を抑制するための制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは例えば１０ミリ秒程度の短い間隔で繰り返し実行される。
【００２９】
本ルーチンは、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量（以下、単に「液状燃料量」ともいう）を抑制するために、２段噴射の２回目の噴射タイミングをピストン冠面３Ａに残留している液状燃料量に応じて変更するものである。以下、フローチャートのステップにしたがって説明する。
【００３０】
ステップＳ１０１で、コントローラ１００は超リタード成層燃焼の実行中であるか否かを判定する。実行中であればステップＳ１０２の処理を実行し、実行中でなければ、ステップＳ１１０にて均質ストイキ燃焼（以下、通常制御ともいう）への切り替え処理を行う。超リタード成層燃焼の実行中であるか否かは、排気浄化触媒の温度に基づいて判定する。具体的には、排気浄化触媒が活性温度未満であれば実行中、活性温度以上であれば実行中でない、と判定する。
【００３１】
ステップＳ１０２で、コントローラ１００は液状燃料量を推定する。本実施形態では、シリンダ２の壁温（以下、シリンダ壁温ともいう）とエンジン始動からの経過時間とに基づいて液状燃料量を推定する。具体的には、まず、シリンダ壁温が低いほど液状燃料がピストン冠面３Ａに残留し易いという特性に基づいて、シリンダ壁温毎に単位時間当たりの残留量を定めておき、この値にエンジン始動からの経過時間を積算することによってピストン冠面３Ａに付着した積算量を算出する。次に、この積算量から後述する気化量を減算し、その結果を液状燃料の推定量とする。
【００３２】
なお、液状燃料の残留し易さと直接的な関係があるのはピストン冠面温度であるが、ここではピストン冠面温度と相関があり、かつ既存の冷却水温センサの検出値から推定可能なシリンダ壁温を用いている。
【００３３】
上記の気化量とは、ピストン冠面３Ａに付着していた燃料のうち気化した量である。燃料は温度が高いほど気化し易くなるので、ピストン冠面温度が高くなるほど気化量は多くなる。
【００３４】
ステップＳ１０３で、コントローラ１００はステップＳ１０２で推定した液状燃料量（以下、液状燃料推定量ともいう）が予め設定してある閾値Ｌ２未満であるか否かを判定する。コントローラ１００は、液状燃料推定量が閾値Ｌ２未満の場合はステップＳ１０４の処理を実行し、閾値Ｌ２以上の場合はステップＳ１１０の処理を実行する。
【００３５】
本ステップで用いる閾値Ｌ２は、超リタード成層燃焼から均質ストイキ燃焼に切り替えたとしても、ＰＮの排出規制値を満足できる値を設定する。
【００３６】
ステップＳ１０４で、コントローラ１００は、２段噴射における２回目の燃料噴射タイミングの基本燃料噴射タイミングに対する進角量（以下、燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶともいう）を後述するように算出する。基本燃料噴射タイミングは、圧縮行程中かつ燃料噴霧がキャビティ１０に衝突するタイミングである。基本燃料噴射タイミングの具体的な値は、本実施形態を適用する車両の仕様毎の適合作業によって設定するものであるが、本実施形態では上述したように圧縮上死点前５０−６０°の間の値とする。なお、本実施形態における「進角量」及び「遅角量」の単位はクランク角である。
【００３７】
燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶは、例えば、図３に示すテーブルを予め作成してコントローラ１００に格納しておき、このテーブルを液状燃料推定量で検索することにより算出する。
【００３８】
図３は、縦軸が燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶを示し、横軸が液状燃料推定量Ｌを示している。燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶは、液状燃料推定量Ｌがゼロ≦Ｌ＜閾値Ｌ１の場合はゼロ、閾値Ｌ１≦Ｌ＜閾値Ｌ２の場合はＡＤＶ１、Ｌ≧閾値Ｌ２の場合はＡＤＶ２である。燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶ１は、燃料噴射タイミングが圧縮行程中かつ燃料噴霧の一部がキャビティ１０に衝突するタイミングとなる大きさである。燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶ２は、燃料噴射タイミングが吸気行程中かつ燃料噴霧がキャビティ１０に衝突しないタイミングとなる大きさである。閾値Ｌ１は、予め設定した値である。具体的な数値は本実施形態を適用する車両の仕様に応じて設定する。
【００３９】
なお、ピストン冠面温度毎に燃料噴射タイミング進角量のテーブルを作成しておき、ステップＳ１０４で燃料噴射タイミング進角量を算出する際に、ピストン冠面温度に応じたテーブルを選択するようにしてもよい。この場合、ピストン冠面温度が低い場合のテーブルほど、燃料噴射タイミング進角量を大きく設定しておく。つまり、ピストン冠面温度が低くなるほど、図３の燃料噴射タイミング進角量が上にシフトしたテーブルになる。ピストン冠面温度が低いほど、衝突した燃料が液状燃料として残留し易いので、上記のように燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶ１を算出することで、より確実にピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量の増加を抑制できる。
【００４０】
ステップＳ１０５で、コントローラ１００は燃料噴射タイミングを設定する。具体的には、超リタード成層燃焼用の基本燃料噴射タイミングとステップＳ１０４で算出した燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶとから新たな燃料噴射タイミングを算出する。
【００４１】
図４は、上記ステップＳ１０４及びＳ１０５の処理を実行した場合の燃料噴射タイミングの一例を示す図である。図４の縦軸がクランク角度を示し、横軸が液状燃料推定量Ｌを示している。液状燃料推定量Ｌが閾値Ｌ１未満の場合は、燃料噴射タイミングは基本噴射タイミングのままである。
【００４２】
液状燃料推定量Ｌが閾値Ｌ１以上閾値Ｌ２未満の場合は、燃料噴射タイミングは基本噴射タイミングから燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶ１だけ進角している。この場合、上述したように燃料噴霧の一部はキャビティ１０に衝突するので、基本燃料噴射タイミングの場合に比べると少ないものの、点火プラグ８の周りに成層混合気が形成される。この状態で火花点火されることによって行われる燃焼を弱成層燃焼と称する。
【００４３】
液状燃料推定量Ｌが閾値Ｌ２以上の場合は、燃料噴射タイミングは基本噴射タイミングから燃料噴射タイミング進角量ＡＤＶ２だけ進角して、吸気行程噴射となる。吸気行程噴射になると、燃料噴霧は点火タイミングまでに拡散・混合して筒内全域に均質な混合気を形成する。したがって、燃焼形態は均質ストイキ燃焼となる。
【００４４】
上記のように、コントローラ１００は燃料噴射タイミングを液状燃料推定量Ｌの増加に応じて進角させる。より詳細には、コントローラ１００は液状燃料推定量Ｌが閾値Ｌ１以上になると燃料噴射タイミングを進角させて弱成層燃焼に切り替える。これにより、キャビティ１０に衝突する燃料量が超リタード成層燃焼の場合に比べて減少するので、ピストン冠面３Ａに残留する燃料量の増加を抑制できる。コントローラ１００は、液状燃料推定量Ｌが閾値Ｌ２以上になると燃料噴射タイミングを吸気行程まで進角させて、均質ストイキ燃焼に切り替える。これにより、燃料噴霧がキャビティ１０に付着しなくなるので、冠面に残留する燃料量の増加をさらに抑制できる。
【００４５】
なお、コントローラ１００は、図示しない別フローにて運転状態に応じて点火タイミングを制御している。そして、コントローラ１００は、超リタード成層燃焼の場合には点火タイミングをＭＢＴよりも遅角させているが、上記の新たな燃料噴射タイミングに合わせて点火タイミングも進角させる。
【００４６】
フローチャートの説明に戻る。
【００４７】
ステップＳ１０６で、コントローラ１００はピストン冠面温度を取得する。具体的には、コントローラ１００は上述したシリンダ壁温に基づいてピストン冠面温度を推定する。
【００４８】
ステップＳ１０７で、コントローラ１００はピストン冠面温度に基づいてバルブオーバーラップラップ量を算出する。ここでいうバルブオーバーラップ期間とは、吸気バルブ６及び排気バルブ７が開弁している状態が継続する期間をクランク角度で表したものである。
【００４９】
図５は、ステップＳ１０７でバルブオーバーラップ量を算出するために用いるテーブルであり、縦軸がバルブオーバーラップ期間を示し、横軸がピストン冠面温度を示している。また、図５の曲線Ｂは、バルブオーバーラップ期間がこれより長くなるとエンジンの燃焼が不安定となることを示す燃焼安定限界線である。
【００５０】
図５において、ピストン冠面温度がＴ２より高い場合は、バルブオーバーラップ期間は直線Ａに沿ってピストン冠面温度が低いほど長くなっている。一方、ピストン冠面温度がＴ２以下の場合は、バルブオーバーラップ期間は曲線Ｂに沿ってピストン冠面温度が低いほど短くなっている。
【００５１】
バルブオーバーラップ期間が長くなると、いわゆる内部ＥＧＲガス量が増加するので、吸気行程から点火タイミングまでの筒内温度が上昇する。筒内温度が上昇すればピストン冠面温度も上昇するので、ピストン冠面に衝突した燃料が液状化し難くなり、また、キャビティに付着している液状燃料の気化が促進される。そこで、本来であれば、図５の破線のようにピストン冠面温度がＴ２以下の場合でもピストン冠面温度が低いほどバルブオーバーラップ期間を長くしたい。しかし、バルブオーバーラップ期間が長くなるほど筒内の不活性ガス割合が高くなるので、燃焼が不安定になる。このため、図５のピストン冠面温度がＴ２以下の部分は、燃焼安定限界を超えない範囲で、できるだけ長いバルブオーバーラップ期間が設定されている。
【００５２】
したがって、例えばエンジン始動時におけるピストン冠面温度がＴ１とＴ２の間の場合には、エンジン始動からの時間経過に伴ってピストン冠面温度が高くなるにつれてバルブオーバーラップ期間が徐々に長くなる。そして、ピストン冠面温度がＴ２を超えると、ピストン冠面温度が高くなるにつれてバルブオーバーラップ期間は短くなる。
【００５３】
ステップＳ１０８で、コントローラ１００はステップＳ１０７で算出したバルブオーバーラップ期間を実現するための可変動弁機構の変換角を設定して、バルブオーバーラップ量を変更する。より詳細には、吸気バルブ６及び排気バルブ７のバルブタイミングを後述する方法により算出し、算出結果に基づいて吸気側及び排気側の可変動弁機構の変換角を変更する。
【００５４】
図６は、ステップＳ１０７で算出したバルブオーバーラップ期間を実現するための、吸気バルブ６の開タイミング（図中のＩＶＯ）と、排気バルブ７の閉タイミング（図中のＥＶＣ）と、を算出するためのテーブルである。図６は、縦軸がバルブタイミングを示し、横軸がバルブオーバーラップ量を示している。
【００５５】
吸気バルブ６及び排気バルブ７のバルブタイミングはバルブオーバーラップ期間と比例関係にある。つまり、バルブオーバーラップ期間が長くなるのに比例して、吸気バルブ６の開タイミングの進角量と排気バルブ７の閉タイミングの遅角量とが大きくなる。そして、バルブオーバーラップ期間がいずれの長さであっても、吸気バルブ開タイミングと排気バルブ閉タイミングは、排気上死点を挟むように設定されている。
【００５６】
また、吸気バルブ６の開タイミングの進角量は、排気バルブ７の閉タイミングの遅角量よりも大きくなっている。これは、排気バルブ７の閉タイミングを遅角するほど、吸入空気の吹き抜け量が増加し、シリンダ体積効率が低下してしまうからである。すなわち、本実施形態のように主に吸気バルブ６の開タイミングを進角させることでバルブオーバーラップ期間を長くすると、シリンダ体積効率の低下を抑制することができる。
【００５７】
ステップＳ１０９で、コントローラ１００は点火タイミング補正を実行する。この点火タイミング補正は、バルブオーバーラップ期間を変更したことによるトルクダウンを補償するためのものである。すなわち、バルブオーバーラップ期間を長くするほど筒内の不活性ガス割合が増加してエンジントルクが低下するので、低下したトルクを補償するために点火タイミングを進角させる。補正量は、バルブオーバーラップ期間及び吸入空気量に基づいて後述するマップを用いてする。なお、吸入空気量は図示しないエアフローメータの検出値から算出する。
【００５８】
図７は、ステップＳ１０９で点火タイミングの補正量を算出するために用いるマップである。図７に示すように、吸入空気量が少ないほど、またバルブオーバーラップ期間が長いほど、点火タイミングの進角量は大きくなる。
【００５９】
次に、上記制御を実行した場合のピストン冠面温度等の挙動について説明する。
【００６０】
図８は上記制御を実行した場合の、エンジン始動からピストン冠面温度がＴ２に到達するまでのタイミングチャートである。
【００６１】
図中の実線が本実施形態の制御を実行した場合のチャートである。図中の破線は比較例であり、エンジン始動時に設定した冷間運転用のバルブオーバーラップ及び点火タイミングを変更しない場合のチャートである。ただし、比較例のエンジン始動時におけるバルブオーバーラップ量及び点火タイミングは、本実施形態の制御と同じである。
【００６２】
ピストン冠面温度は冷却水温やシリンダ壁面温度と相関があるので、図中のピストン冠面温度を冷却水温またはシリンダ壁面温度と見ることもできる。
【００６３】
燃焼安定度の閾値（図中の「Ｃｒｉｔｅｒｉａ」）は、主に乗り心地に基づいて設定したものである。乗り心地は、エンジンの燃焼が不安定になって振動が増大するほど悪化する。そこで、乗り心地が許容し得るレベルとなるときの燃焼安定度を、燃焼安定度の閾値とする。
【００６４】
積算ＨＣとは、エンジン運転中の未燃ＨＣ排出量の積算値である。なお、エンジン運転中のＰＮの積算値も積算ＨＣのチャートと同様の挙動を示すので、積算ＨＣのチャートと見ることもできる。
【００６５】
ピストン冠面温度は、エンジン始動後の時間経過とともに徐々に上昇する。これに伴い、本実施形態ではバルブオーバーラップ量を徐々に大きくする。
【００６６】
燃焼安定度は、図９に示すようにシリンダ壁面温度が高いほど向上する。一方、シリンダ壁面温度が一定であれば、図９に示すようにバルブオーバーラップ量が大きくなるほど燃焼安定度は低下する。したがって、比較例のようにバルブオーバーラップ量が一定であれば、シリンダ壁面温度の上昇に伴って燃焼安定度も向上する。これに対して、本実施形態では燃焼が安定する範囲内でバルブオーバーラップ量を徐々に増大させるので、シリンダ壁面温度の上昇による燃焼安定度の向上とバルブオーバーラップ量の増大による燃焼安定度の悪化とが相殺されて、燃焼安定度は閾値のままとなる。
【００６７】
積算ＨＣ（積算ＰＮ）は、本実施形態及び比較例のいずれも時間の経過にともなって増大しているが、本実施形態は比較例に比べてその積算量は少ない。これは、バルブオーバーラップ量を増大させることで内部ＥＧＲ量が増加して、燃料の気化が促進されたためである。
【００６８】
なお、バルブオーバーラップ量の増大はエンジントルクが低下する要因となるが、本実施形態では点火タイミングを進角させることによって、エンジントルクを一定に保っている。
【００６９】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００７０】
本実施形態では、排気通路５に介装される排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、コントローラ１００は、圧縮行程中であって、かつ燃料噴霧がピストン冠面３Ａに衝突し、衝突した燃料噴霧がピストン冠面３Ａの形状に沿って点火プラグ８へ向かう燃料噴射タイミングで燃料を噴射し、圧縮上死点以降に火花点火をする触媒暖機運転（超リタード成層燃焼）を実行する。そして、超リタード成層燃焼の実行中に、コントローラ１００はピストン冠面温度に応じて、バルブオーバーラップ量を増大させる。バルブオーバーラップ期間が長くなるほど内部ＥＧＲ量が増加し、吸気行程の段階から筒内温度が上昇するので、本実施形態によれば液状燃料の気化を促進できる。その結果、ＰＮを低減することができる。
【００７１】
なお、内部ＥＧＲ量を増加させると、吸気ポートへ吹き返して再度筒内に流入する排気ガス量が増加する。その結果、筒内に閉じ込められる未燃ＨＣ等が増加する。そして閉じ込められた未燃ＨＣ等が次サイクルで燃焼することによって未燃ＨＣやＰＮの排出量が低減する。すなわち、本実施形態では、上記のように未燃ＨＣ等を筒内に閉じ込めることによるエミッション低減効果も得られる。
【００７２】
本実施形態では、ピストン冠面温度が低いほど、バルブオーバーラップ量の増大量を制限する。ピストン冠面温度が低いほど、衝突した燃料噴霧がピストン冠面３Ａに残留し易い。したがって、本実施形態によれば、より確実にピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量を低減できる。
【００７３】
本実施形態では、少なくとも暖機運転（超リタード成層燃焼）の実行中は、燃料の一部を吸気行程中にも噴射する。つまり、吸気行程及び圧縮行程で燃料を噴射する２段噴射を行う。吸気行程で噴射された燃料は、燃焼室１１内に均質で理論空燃比よりもリーンな混合気を形成する。この状態で火花点火すれば外乱に強い燃焼が行われる。
【００７４】
本実施形態では、超リタード成層燃焼の実行中に、コントローラ１００はピストン冠面３Ａに残存する液状燃料の推定量の増加に応じて燃料噴射タイミングを進角する。燃料噴射タイミングを進角することにより、ピストン冠面３Ａに衝突する燃料量が減少するので、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量が減少する。これにより、ＰＮを低減することができる。
【００７５】
本実施形態では、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の推定量が排気微粒子の排出規制値に基づいて設定した閾値を超えた場合には、上述した燃料噴霧が点火プラグへ向かうタイミングでの噴射から吸気行程噴射へ燃料噴射タイミングを切り替える。吸気行程噴射に切り替えることにより、燃料噴霧がピストン冠面に衝突することがなくなるので、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の増加を抑制できる。
【００７６】
本実施形態では、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の推定量の増加に応じて、燃料噴射タイミングを徐々に吸気行程に近付ける。すなわち、液状燃料推定量が増加したら、超リタード成層燃焼から弱成層燃焼に切り替える。これにより、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料の増加を抑制しつつ、弱成層燃焼によって排気浄化触媒の暖機を促進できる。
【００７７】
本実施形態では、ピストン冠面温度が低いほど、上述した燃料噴射タイミングの進角量を大きくする。ピストン冠面温度が低いほど、衝突した燃料噴霧がピストン冠面３Ａに残留し易い。したがって、本実施形態によれば、より確実にピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量を低減できる。
【００７８】
なお、図２のフローチャートにおいて、ステップＳ１０６の処理を、ステップＳ１０４−Ｓ１０５の処理より先に実行してもかまわない。
【００７９】
また、図５、図６のテーブルに代えて、図１０、図１１のテーブルを用いてもよい。
【００８０】
すなわち、図１０に示すようにバルブオーバーラップ期間をステップ的に変化させてもよい。この場合、図１１に示すように吸気バルブ６及び排気バルブ７のバルブタイミングもステップ的に変化する。
【００８１】
また、上述した実施形態は成層燃焼を２回の分割噴射により行うものに限定されるものでもない。例えば、上述した２回の燃料噴射のうち１回目の燃料噴射を省略した単段噴射とし、２回目の燃料噴射のみで成層燃焼を行うようにしてもよい。
【００８２】
また、図１２に示すように、超リタード成層燃焼の実行中に液状燃料推定量が所定の閾値以上になったら、コントローラ１００が均質ストイキ燃焼へ切り替えるようにしてもよい。
【００８３】
また、上述した「液状燃料の推定量の増加に応じて、燃料噴射タイミングを徐々に吸気行程に近付ける」とは、図４や図１２のように燃料噴射タイミングをステップ的に進角させるものに限定されるものではない。例えば、図１３の実線または破線のように、液状燃料推定量が閾値Ｌ２未満の場合の燃料噴射タイミングの進角量を、液状燃料推定量の増加に応じて連続的に増加させてもよい。
【００８４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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