(57)【要約】【課題】 圧縮比が変更可能な内燃機関において、機関負荷上昇時に機械圧縮比の応答遅れと圧縮上死点温度の状況に応じて空燃比の設定が可能となる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関の機械圧縮比を変更可能な機構と、上記機械圧縮比が機関低負荷側で高く、かつ高負荷側で低くなるように目標設定された目標圧縮比となるように制御する手段と、を備えた可変圧縮比式内燃機関において、機関負荷上昇時に、目標圧縮比に対する機械圧縮比の応答遅れが発生することにより、異常燃焼が発生すると推定された場合には、空燃比補正をリーン側にして燃焼を行うことを特徴とする。【選択図】図５
2011001905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の機械圧縮比を変更可能な機構と、上記機械圧縮比が機関低負荷側で高く、かつ高負荷側で低くなるように目標設定された目標圧縮比となるように制御する手段と、を備えた可変圧縮比式内燃機関において、機関負荷上昇時に、目標圧縮比に対する機械圧縮比の応答遅れが発生することにより、異常燃焼が発生すると推定された場合には、空燃比補正をリーン側にして燃焼を行うことを特徴とする可変圧縮比式内燃機関。
【請求項２】
上記異常燃焼の予測は、機関負荷上昇前の実際の機械圧縮比により求められる圧縮上死点温度が、機関負荷上昇後の吸入空気量に基づく自己着火温度範囲内にあるか否かにより行われることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比式内燃機関。
【請求項３】
上記空燃比補正は、機械圧縮比が目標圧縮比に対して追従できないときに、負荷の上昇速度が大きいほど、空燃比がリーン側へ補正されることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変圧縮比式内燃機関。
【請求項４】
上記空燃比補正は、圧縮上死点温度が高いほど、空燃比がリーン側へ補正されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の可変圧縮比式内燃機関。
【請求項５】
上記空燃比補正は、目標圧縮比と実際の機械圧縮比との差に応じて設定され、上記差の度合いが大きいほど、空燃比がリーン側へ補正されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の可変圧縮比式内燃機関。
【請求項６】
上記空燃比補正をリーン側にして行う燃焼は、火炎伝播による燃焼又は予混合圧縮着火による燃焼であって、予混合圧縮着火による燃焼は、火炎伝播による燃焼よりも空燃比がリーン側で行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の可変圧縮比式内燃機関。
【請求項７】
上記内燃機関は、更に火炎伝播の希薄限界を推定する手段を備え、火炎伝播による燃焼と予混合圧縮着火による燃焼との切替えは、上記推定された火炎伝播の希薄限界により判定されることを特徴とする請求項６に記載の可変圧縮比式内燃機関。
【請求項８】
上記空燃比補正をリーン側にして行う燃焼において、空燃比が、火炎伝播の希薄限界よりリーン側で、かつ予混合圧縮着火の音振限界空燃比よりリッチ側の場合には、吸入空気量を絞った上で火炎伝播による燃焼を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の可変圧縮比式内燃機関。
【請求項９】
上記空燃比補正をリーン側にして行う燃焼を行った後に、空燃比補正を行った期間に応じた所定の期間、理論空燃比よりもリッチ側の燃焼を行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の可変圧縮比式内燃機関。
【請求項１０】
上記内燃機関は、更に筒内直接噴射式の噴射弁を備え、少なくとも２回以上の分割噴射を行うことが可能な可変圧縮比式内燃機関であって、空燃比補正が理論空燃比よりもリーン側へ設定されているときは、燃焼終了後に追加燃料噴射を実施することにより、平均空燃比が理論空燃比近傍に設定されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の可変圧縮比式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮比を可変可能な内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の燃焼室の容積を可変にすることで、機械圧縮比が変更可能な内燃機関が知られている。この内燃機関における圧縮比の制御は、一般的に、低負荷領域では熱効率を高めるため、より高い圧縮比に設定にしている。一方、高負荷領域ではノッキング等の異常燃焼を回避するため、より低い圧縮比に設定することが知られている。
【０００３】
そこで、下記特許文献１では、圧縮比を可変可能な内燃機関において、低速・低負荷領域側で圧縮比を高く、高速・高負荷側で圧縮比を低く設定すると共に、圧縮比に応じて空燃比を制御し、圧縮比が高いほど空燃比をリーンにする技術が知られている。リーン空燃比で燃焼を行う場合には、理論空燃比での燃焼と比較して、相対的に燃焼速度が低く、エンドガス部に存在する未燃混合気の温度上昇が緩慢なこと、リーン空燃比では異常燃焼（自己着火）自体が発生しにくくなることから、ノッキングが起こりにくくなるというものである。これら異常燃焼の発生は、概ね、燃焼室内の圧縮時のピストン上死点における空気温度（以下、「圧縮上死点温度」とする）と、混合気の密度及び空燃比により整理が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２７８３３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、プレイグニッションやノッキングといった異常燃焼は、高速・高負荷側の領域で発生するだけではない。機械圧縮比が変更可能な内燃機関においては、むしろ低負荷からの加速等による負荷上昇時に、機械圧縮比を変更可能な機構の応答遅れによって発生する異常燃焼が問題となる。また、定常運転時に、単に空燃比をリーンにする場合には、プレイグニッションやノッキングといった異常燃焼を回避することは出来ても、加速性能の悪化は避けられない。
【０００６】
そこで本発明は、上述した異常燃焼を回避しつつ加速性能との両立が可能となる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成させるため、本発明における可変圧縮比式内燃機関においては、機械圧縮比を変更可能な機構と、上記機械圧縮比が機関低負荷側で高く、かつ高負荷側で低くなるように目標設定された目標圧縮比となるように制御する手段と、を備えている。また、機関負荷上昇時に、目標圧縮比に対する機械圧縮比の応答遅れが発生することにより、異常燃焼が発生すると推定された場合には、空燃比補正をリーン側にして燃焼を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、目標圧縮比に対する機械圧縮比の応答遅れに応じて、空燃比の補正値をリーンにするため、異常燃焼を回避しつつ加速性能との両立を図った圧縮比を可変可能な内燃機関を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１における可変圧縮比式内燃機関の本体概略図である。
【図２】目標機械圧縮比の設定マップの例を示す。
【図３】実施例１における圧縮上死点温度と空燃比の関係を示す模式図である。
【図４】実施例１におけるタイムチャートを示す。
【図５】実施例１のフローチャートを示す。
【図６】リーン空燃比の設定の一例である。
【図７】実施例２における圧縮上死点温度と空燃比の関係に基づく運転点と異常燃焼領域を示す模式図である。
【図８】実施例２におけるタイムチャートを示す。
【図９】実施例２のフローチャートを示す。
【図１０】実施例３におけるタイムチャートを示す。
【図１１】実施例３のフローチャートを示す。
【図１２】実施例４における燃料噴射時期について模式図である。
【図１３】実施例４におけるタイムチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を実施例１から４において説明する。なお、図面の説明において同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【実施例１】
【００１１】
図１は、実施例１の可変圧縮比式内燃機関の本体概略図である。実施例の機関は、従来より周知の内燃機関に加えて、機械圧縮比を変更可能な機構を持つ。ここで、機械圧縮比とは、ピストン４が下死点にあるときの燃焼室の容積とピストンストローク容積の和を、上死点にあるときの燃焼室の容積で割った値のことをいう。実施例１においては、ピストン４の上死点及び下死点またはいずれか一方の位置を変えることで機械圧縮比が変更される例であるが、機械圧縮比が可変になるものであれば、燃焼室に副室等を設けて圧縮比を変更させるものでも構わないし、シリンダーブロック３の上下方向の高さを変更することで圧縮比を変更させるものでも構わない。
【００１２】
図１に示すように、内燃機関本体１は、シリンダーヘッド２とシリンダーブロック３を備え、シリンダー内には上下に往復運動するピストン４が設けられている。これらにより、燃焼室５が形成される。シリンダーヘッド２には、吸入空気を燃焼室１に導く吸気ポート６及び、燃焼済みの排気ガスを排気管へ送る排気ポート７が設けられている。また、吸気ポート６には吸気弁８が、排気ポート７には排気弁９が配置されており、それらを作動させる吸気弁用のカム１０と、排気弁用カム１１とが、弁略上部に配置されている。さらに、吸気弁８と排気弁９の間には、点火プラグ１２が配置されている。内燃機関に近接又は離れた位置に、内燃機関を電気的に制御するための機関コントロールユニット１３と、電圧を高めるための点火コイル１４が、そして、吸気ポート６より上流では吸入空気量をコントロールするための電制式のスロットルバルブ１５が配置され、吸気ポート６には、燃料噴射弁１６が配置される。排気ポート７の排気下流には、排気ガスを浄化するための触媒浄化装置１７が配置されている。
【００１３】
一方、機械圧縮比を変更可能な機構は、各気筒のピストン４にピストンピン２６を介して一端が連結されたアッパーリンク２０と、このアッパーリンク２０の他端にアッパーリンクピン２７を介して揺動可能に連結されるとともに、クランク軸２５のクランクピンに連結されるロアーリンク２１と、クランク軸２５と略平行に延びるコントロールシャフト２３と、一端がコントロールシャフト２３に揺動可能に連結されるとともに、他端が制御リンクピン２８を介してロアーリンク２１に揺動可能に連結されるコントロールリンク２２と、を有している。ここで、コントロールシャフト２３の中心軸と、コントロールリンク２２の締結部の中心軸は互いに偏心しており、コントロールシャフト２３が回転することにより、コントロールリンク２２との締結部が移動し、ロアーリンク２１の傾きが変わることによって、アッパーリンク２１及びピストン４の上死点位置が変わることになる。コントロールシャフト２３は、モータ付き機械圧縮比変更用アクチュエータ２４により回転させられる。このように、ピストン上死点位置が変更されることにより、機械圧縮比を可変にできるようになる。
【００１４】
図１に記載の機関コントロールユニット４は、図示しない車両に搭載の各種センサの信号として、クランク角に基づいて内燃機関の回転速度を検出する内燃機関回転速度センサ７１、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルストロークセンサ７２、車速を検出する車速センサ７３、そして吸入空気量を測定するエアフローメータ７４の信号などの各種センサからの信号が入力される。機関コントロールユニット４は、これらの信号を基に、機関負荷を判定し機械圧縮比変更信号を圧縮比変更用アクチュエータ２４に送ったり、燃料の噴射量の計算結果に基づいて燃料噴射弁１６に信号を送り噴射弁開弁時間を制御する。
【００１５】
ところで、車両運転中、運転者が加速を意図した場合アクセルペダルを踏むことになるが、その際、アクセルストロークセンサ７２がアクセル開度を検出後、連動したスロットルバルブ１５が開かれ、スロットル開度に応じた吸入空気量が導かれることになる。負荷の上昇は、一般に車両の加速や車両が登り勾配の走行路にさしかかったときの、いずれの場合にも発生するが、いずれの場合においても、スロットルバルブ１５が開かれることによる吸入空気量増大が発生する。前述したように、機械圧縮比が変更可能な内燃機関においては、通常、低負荷領域時には高圧縮比化による熱効率向上をはかるため、より高い機械圧縮比にて運転されることになる。ここで、図２に、目標機械圧縮比の設定マップの一例を示す。機関の回転数や負荷が低いほど目標設定される機械圧縮比を高くし、回転数や負荷が高いほど目標設定される機械圧縮比を低くしている。すなわち、回転数や負荷の上昇に伴い、機械圧縮比は低圧縮になるよう制御される。
【００１６】
しかし、機械圧縮比をコントロールするための機械圧縮比変更用アクチュエータ２４の応答速度は、負荷等の上昇により発生する吸入空気量増大に比べて遅いため、ノッキングやプレイグニッションといった異常燃焼が発生する場合がある。機械圧縮比変更用アクチュエータ２４は、燃焼荷重をピストン４で受け止めている関係で、アクチュエータ負荷が大きいためである。
【００１７】
図３は、実施例１における圧縮上死点温度と空燃比の関係に基づく運転点と異常燃焼領域を示す模式図である。図３の上段の図は、加速前の機械圧縮比が高圧縮比かつ負荷が低負荷のときの図であり、以下図３−（１）とする。図３の中段の図は、加速開始直後の機械圧縮比が高圧縮比かつ負荷が高負荷のときの図であり、以下図３−（２）とする。図３の下段の図は、加速開始から時間が経過して、圧縮比の応答遅れ解消後の機械圧縮比が低圧縮比かつ負荷が高負荷のときの図であり、以下図３−（３）とする。それぞれの図における横軸は空燃比、縦軸を圧縮上死点温度をとっている。ノッキングやプレイグニッションといった自己着火に起因する異常燃焼は、空燃比と圧縮上死点温度、それに空気量（負荷）で決まってくることが分かっている。また、ガソリン機関の圧縮上死点温度は、圧縮比と吸気弁８が閉じた際の燃焼室内温度で決まってくることも分かっている。圧縮上死点温度の検出には、図示をしないが、シリンダーヘッド１に設置された燃焼室内温度センサを用いても良いし、吸入空気温と吸入負圧や排気圧力から推定される圧縮上死点温度の予測結果を用いても良い。
【００１８】
図３−（１）に、運転者が低負荷で走行又はアイドリングしているときの空燃比と圧縮上死点温度との関係を示す。負荷が低い状態での走行のため、異常燃焼が発生する領域は圧縮上死点温度が比較的高い領域にある（図において、空気量小の太い実線の上側の領域）。これは、負荷が低いときには吸入空気量が少ないため、燃料と空気で構成される可燃混合気の分子密度が低い。ゆえに、分子の衝突が小さく、異常燃焼に対して有利であることによるものである。図中のＡ点が現在の運転状態での位置で、空燃比は理論空燃比（以下、「ストイキ」とする）付近で制御されている。また、図には、火炎伝播希薄限界ラインを記載しているが、これは、火花点火により燃焼を行うことが出来る最もリーン側の境界線を表している。
【００１９】
一方、運転者によりアクセルペダルが踏み込まれた直後の様子を、図３−（２）に示す。負荷が上がり、吸入空気量が増大することで、異常燃焼領域は下方へ降りてくる。機械圧縮比変更用アクチュエータ２４の応答遅れの影響で、実際の機械圧縮比を目標とする機械圧縮比まで低下させられないために、圧縮上死点温度（縦軸方向）はほとんど動かない。そうすると、Ａ点は、異常燃焼領域に入ってしまうため、異常燃焼を回避すべく何らかの手立てが必要となる。このように、異常燃焼の予測は、機関負荷上昇前の実際の機械圧縮比により求められる圧縮上死点温度が、機関負荷上昇後の吸入空気量に基づく自己着火温度範囲内にあるか否かにより行われる。
【００２０】
従来は、ノッキングやプレイグニッションといった異常燃焼を回避するには、吸気弁８やスロットルバルブ１５を絞ることで吸入空気量を制限することや、点火時期をリタードすること等が知られているが、いずれにおいても機関の軸トルクの低下が避けられず、加速性能が大幅に低下してしまうという問題があった。そこで、本実施例においては、空燃比補正をリーン側にして燃焼を行うことで異常燃焼領域に入らないようにする。すなわち、図３−（２）において、Ａ点であったものを空燃比を低下させることでＢ点に持っていく。このように、空燃比をリーンにすることによって異常燃焼を回避することで、高い応答性を持つ燃料噴射弁を用いた機関の気筒毎の制御が可能となる。また、異常燃焼と推定されたサイクルにのみ空燃比制御を実施することで、空燃比をリーン化することでの加速性能への影響を抑えている。また、理論空燃比よりも過濃度側のリッチな混合気にて異常燃焼を抑制した場合に問題となる、ＣＯさらにはスモークの問題も、本実施例のようにリーン空燃比に設定することで解決することが出来る。
【００２１】
図３−（３）に、機械圧縮比が応答終了後の空燃比と圧縮上死点温度との関係を示す。ここでは、高負荷状態の走行中が続いているため異常燃焼領域は図３−（２）と変わらないが、機械圧縮比が低下することで圧縮上死点温度も低下する。そこで、加速開始直後のＢ点にあった運転点を、異常燃焼領域に入らないように実際の圧縮比を見ながら徐々にリッチ化することで、空燃比をストイキに戻しながらＣ点に移動させる。このように、圧縮比の追従状況を見ながら、空燃比をリーンにしつつも出来るだけリッチ側に随時制御することにより、空燃比をリーン側にしつつも出来るだけリッチにすることが出来るため、加速性能の悪化が回避できることとなる。
【００２２】
以上の様子を、図４の実施例１におけるタイムチャートを用いて説明する。図４の横軸は時間であり、縦軸は各種のパラメータをとる。上から、負荷、機械圧縮比、空燃比、そして点火時期である。図中のＡ、Ｂ、Ｃ時点は、図３−（１）におけるＡ点、図３−（２）におけるＢ点、そして図３−（３）におけるＣ点に対応している。Ａ時点では、負荷上昇前のため機械圧縮比は高圧縮比で、空燃比はストイキ状態にある。また、点火時期も特に遅進させてはいない。Ｂ時点で負荷の上昇要求が入ると、機関の負荷は上昇することとなるが、このとき、目標の機械圧縮比に対して実際の機械圧縮比は遅れてなだらかに低下することとなる。そのため、Ｂ時点では、異常燃焼を回避するために空燃比を、よりリーンに設定する。この際、リーン燃焼を行うと燃焼が緩慢となるが、圧縮比が高く設定されているため、圧縮端温度と圧力が高い場が形成されることから、空燃比をリーンに設定しても、低圧縮比時と比較して燃焼速度の低下代は小さく、燃焼安定度の悪化も小さい。ただし、リーン燃焼させることで若干は燃焼期間は延びることから、点火時期はそれに合わせて進角させる制御を実施する。もしも燃焼安定度が不十分な場合は、例えばスワールやタンブルなどの流動強化を合わせても良い。その後、機械圧縮比の目標値と実際値の差が小さくなるにつれて、空燃比のリーン度合いをストイキに向けて戻して行き、ついにＣ時点において異常燃焼が発生しない状態にまで実際の機械圧縮比が低下したとき、空燃比をストイキ付近まで戻すこととする。なお、圧縮上死点温度が高いときは（図中の実線）、低いとき（図中の破線）に比べて空燃比のリーン度合いが大きく、その分点火時期も進角させる。この場合は、例えば残留ガスが多い場合や、車両が停車中であって、エンジンルーム内の空気がエンジンからの放熱によって暖められており、圧縮開始時付近の温度が上昇していることが推定される場合である。
【００２３】
図５に、実施例１のフローチャートを示す。ステップ１（図においては「Ｓ１」と記載する）にてアクセル開度を検出後、ステップ２で要求トルクを設定する。これにより、機関の負荷状況を算出する。ステップ３にて目標スロットル開度を目標値に制御する。
【００２４】
ステップ４にて、要求トルクに基づき目標とする圧縮比（targetε）を設定し、ステップ５にて現状の圧縮比（atcualε）を検出する。ステップ６にて吸気温度を検出する。吸気温度は外気の温度とエンジン油水温度などから推定しても構わない。また、ステップ７にて、現状の圧縮比と吸気温度から圧縮上死点温度の推定を行う。圧縮比が高いほど、また吸気温度が高いほど、圧縮上死点温度は高く推定される。
【００２５】
圧縮上死点温度の推定結果と、エアフローメータ７４により検出した吸入空気量を基に、ステップ８にて、プレイグニッションやノッキングなどの異常燃焼が発生するか否かを推定する。異常燃焼の推定は、応答遅れによって機関負荷上昇前と変わらない実際の機械圧縮比により求められる圧縮上死点温度が、機関負荷上昇後の吸入空気量に基づく自己着火温度範囲内にあるか否かにより行われる。異常燃焼と判定されたときは、ステップ９へ進み、異常燃焼ではないと判定されたときは、ステップ１０へ進み負荷上昇時に必要な空燃比に設定される。
【００２６】
ステップ９では、異常燃焼領域を避けるように空燃比をストイキ付近からリーン設定し、ステップ１１に移る。ステップ１１では、ステップ９で設定したリーン空燃比が火炎伝播希薄限界内にあるか判定する。判定は、図３において実際の機械圧縮比により求められる圧縮上死点温度において、吸入空気量に基づく異常燃焼領域を避けるためのリーン空燃比が、火炎伝播限界を超えるかどうかで判定される。
【００２７】
ステップ１１にて、空燃比のリーン化によって異常燃焼の回避が不可能と判断された場合には、ステップ１２に進み点火時期をリタードする。それでもノッキングが回避できない場合や、もしくは点火時期とは関係なく発生するプレイグニッションが懸念される場合は、ステップ１３に進み空気量を制限し、確実にプレイグニッションやノッキングなどの異常燃焼を回避する制御を行う。
【００２８】
ステップ１４にて、現状圧縮比(actualε)が目標圧縮比(targetε)以下となるまで繰り返す。機械圧縮比が目標値に達した後は、ステップ１５にて、空燃比を出力空燃比近傍（Ａ/Ｆで１０〜１３付近）に設定し出力の向上を図ると同時に、本制御を終了する。
【００２９】
尚、ステップ５より後、ステップ１４の前までは、図５内に示したステップ２１、２２と置き換えることもできる。ステップ２１にて、目標圧縮比と現状圧縮比との差Δεを算出し、ステップ２２では、図６に基づき空燃比を設定する。図６は、リーン空燃比の設定の考え方の一例である。実際の圧縮比と目標圧縮比の差（Δε）に応じて、差が大きいほど空燃比をよりリーンにする。また、圧縮上死点温度が高いほど空燃比がリーンとなるよう設定する。ここで、圧縮上死点温度は、吸気温度にも左右されるため、吸気温度が高いほど空燃比をリーンに設定する。さらに、機関負荷の上昇速度が大きいほど空燃比をリーンにすることもできる。このようにステップ２２では、図５で示したように、圧縮上死点温度と目標圧縮比と現状圧縮比との差（Δε）によって、割付けられたマップを参照して、希薄火炎伝播限界よりリッチ側の空燃比において、可能な限り理論空燃比に近い空燃比にて火炎伝播燃焼を行う。
【実施例２】
【００３０】
次に、実施例２の説明について行う。実施例２の構成は実施例１と同じである。実施例２では、リーン燃焼として火花点火による第１の燃焼モードと、予混合圧縮着火による燃焼の第２の燃焼モードとを有する。
【００３１】
図７に、実施例２における圧縮上死点温度と空燃比の関係に基づく運転点と異常燃焼領域を示す模式図である。図７−（１）は、加速前の機械圧縮比が高圧縮比かつ走行負荷が低負荷のとき、図７−（２）は、加速開始直後の機械圧縮比が高圧縮比かつ走行負荷が高負荷のとき、そして、図７−（３）、（４）は、加速開始から時間が経過して、圧縮比の応答遅れが徐々に解消していく過程において走行負荷が高負荷のときの図である。
【００３２】
図７−（１）に、運転者が低負荷で走行又はアイドリングしているときの空燃比と圧縮上死点温度との関係を示す。負荷が低い状態での走行のため、異常燃焼が発生する領域は圧縮上死点温度が比較的高い領域にある（図において、空気量小の太い実線の上側の領域）。ただし、図３−（１）と比べて、Ａ点と異常燃焼領域の間の余裕代が少ない。図中のＡ点が現在の運転状態での位置で、空燃比はストイキで制御され、火花点火による火炎伝播が行われる第１の燃焼モードの領域で燃焼が行われている。
【００３３】
一方、運転者によりアクセルペダルが踏み込まれた直後の様子を、図７−（２）に示す。負荷が上がり、吸入空気量が増大することで、異常燃焼領域は下方へ降りてくる。機械圧縮比変更用アクチュエータ２４の応答遅れの影響で、実際の機械圧縮比を目標とする機械圧縮比まで低下させられないために、圧縮上死点温度（縦軸方向）はほとんど動かない。そうすると、Ａ点は、異常燃焼領域に入ってしまうため、異常燃焼を回避すべく何らかの手立てが必要となる。
【００３４】
そこで、実施例１同様に、空燃比をリーンにすることで異常燃焼領域に入らないようにさせるが、もともと図７−（１）の運転状態のときに、異常燃焼領域の近くで運転していたため、機械圧縮比を低下させない場合、火炎伝播希薄限界を超えてしまうので第１の燃焼モードを選択することが出来ない。そこで、実施例２においては、図７−（２）のように、火炎伝播希薄限界よりもさらにリーンな領域で燃焼可能な第２の燃焼モードである、予混合圧縮着火による燃焼モードを選択する。予混合圧縮着火燃焼は、異常燃焼の一つであるプレイグニッションと同じく、混合気の自己着火によって発生する現象であるが、自己着火燃焼の強度は空燃比がストイキ付近が最も強く、混合気の空燃比がリーン又はリッチになるほど弱くなることが分かっている。すなわち、ストイキよりリーン側では、空燃比がリッチになるほど燃焼強度（燃焼による圧力の上昇）が強くなるため、予混合圧縮着火による第２の燃焼モードを選択できない場合があるが、本実施例のような火炎伝播希薄限界よりリーン側の領域や、音振性能限界空燃比よりリーン側の領域では、運転上問題無く第２の燃焼モードを選択できる。リーン下でマイルドな自己着火を発生させれば、ドライバーには感じられないレベルの燃焼騒音に抑えられる。
【００３５】
図７−（２）において、Ａ点であったものを空燃比を低下させることでＢ点に持っていく。このように、空燃比をリーンにすることにより異常燃焼を回避することで、実施例１同様、高い応答性を持つ燃料噴射弁を用いた機関の気筒毎の制御が可能となる。また、異常燃焼と推定されたサイクルにのみ空燃比制御を実施することで、空燃比をリーン化することでの加速性能への影響を抑えている。さらには、高圧縮比では熱効率も高いことから、リーン燃焼であっても高いトルクが実現でき、スロットルを戻したり点火時期をリタードさせる場合と比較して加速性能が良く、燃費も良い。また、理論空燃比よりも過濃度側のリッチな混合気にて異常燃焼を抑制した場合に問題となる、ＣＯさらにはスモークの問題も、本実施例のようにリーン空燃比に設定することで解決することが出来る。
【００３６】
ここで、ガソリン燃料を用いた予混合圧縮着火は、通常内部ＥＧＲなどを用いて圧縮温度を上げなければ、燃焼安定が悪く適用が困難な場合が多いが、本実施例においては負荷上昇のためスロットルが開き空気量が増加するにもかわらず、圧縮比も目標圧縮比に対して応答遅れが発生し機械圧縮比が高い条件であることから、ＨＣＣＩ燃焼であっても安定した燃焼と運転が可能である。
【００３７】
図７−（３）に、機械圧縮比が低下していく過程の空燃比と圧縮上死点温度との関係を示す。ここでは、圧縮比の低下に基づき圧縮上死点温度が低下すると、やがて第２燃焼モード（圧縮自己着火燃焼）のリッチ側限界に突き当たるので（Ｃ点）、第１燃焼モード（点火による火炎伝播燃焼）に切り替える。第２燃焼モードのリッチ側限界は許容可能な燃焼騒音から決まる。圧縮上死点温度は急に変化させられないので、吸気量を低下させて異常燃焼領域を上方に移動させる（異常燃焼領域を減少させる）ことにより、Ｃ点の圧縮上死点温度において点火による火炎伝播燃焼が実施できるようにする。このように吸気量を低下させると同時に、空燃比もリッチ化して、運転点をＤ点へと切り替える。その後、図７−（４）に示すように、実際の圧縮比の低下に伴って運転点が火炎伝播希薄限界に沿って移動するように、吸気量を徐々に増加させつつ空燃比を徐々にリッチ化し、運転点をＤ点からＥ点へと移動させる。吸気量が目標値に達した後は、異常燃焼領域を避けつつ空燃比を徐々にさらにリッチ化し、運転点をＥ点からＦ点へと移動させる。このように、圧縮比の追従状況を見ながら、空燃比をリーンにしつつも出来るだけリッチ側に随時制御することにより、加速性能の悪化が回避できることとなる。
【００３８】
ここで、以上の様子を図８の実施例２におけるタイムチャートを用いて説明する。図中のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ時点は、図７に記載の各点に対応している。Ａ時点では、負荷上昇前のため機械圧縮比は高圧縮比で、空燃比はストイキ状態にある。Ａ時点とＢ時点の間で、負荷の上昇要求が入ると、実際の機関の負荷は上昇することとなるが、このとき機械圧縮比は、目標の圧縮比に対して実際の圧縮比は遅れてなだらかに低下することとなる。そのため、Ｂ時点では、異常燃焼を回避するために空燃比を、よりリーンに設定する。この際、実施例１と違い、そのまま空燃比をリーンにさせても、火炎伝播による第１の燃焼モードで燃焼可能な領域が無いため、第２の燃焼モードである予混合圧縮着火による燃焼を選択する。その後、機械圧縮比の目標値と実際値の差が小さくなるにつれて、空燃比のリーン度合いをストイキに向けて戻して行き、Ｃ地点とＤ地点の間で、燃焼状態が第２の燃焼モードから第１の燃焼モードへと移り変わる。この時、図８最下段の吸気量は、異常燃焼領域を減少させることにより、Ｃ点の圧縮上死点温度において点火による火炎伝播燃焼が実施できるように減少させられるとともに、空燃比が火炎伝播燃焼が行なえる空燃比へとリッチ化される。実際の圧縮比の低下に伴って運転点が火炎伝播希薄限界に沿って移動するように、吸気量を徐々に増加させつつ空燃比を徐々にリッチ化し、運転点をＤ点からＥ点へと移動させる。吸気量が目標値に達した後は、異常燃焼領域を避けつつ空燃比を徐々にさらにリッチ化し、運転点をＥ点から空燃比がストイキ付近のＦ点へと移動させる。
【００３９】
図９に、実施例２のフローチャートを示す。ステップ１（図においては「Ｓ１」と記載する）のアクセル開度の検出からステップ１１の現状の圧縮比と圧縮上死温度から異常燃焼を回避できる空燃比と火炎伝播希薄限界を算出するまでは、図５の実施例１のフローチャートと同一である。
【００４０】
ステップ１１にて、空燃比を火炎伝播希薄限界内でのリーン化によって異常燃焼の回避が不可能と判断された場合には、ステップ１２で第２の燃焼モードである、予混合圧縮着火が可能かどうか判定する。予混合圧縮着火が可能であれば、ステップ１３にて点火プラグ１２をＯＦＦにする。一方、予混合圧縮着火も火炎伝播燃焼も行なえないときは、予混合圧縮着火による燃焼では異常燃焼の回避が行なえない。そこで、ステップ１２にて予混合圧縮着火が不可能と判定された場合には、ステップ１５で空気量を制限することで、確実にプレイグニッションやノッキングなどの異常燃焼を回避する。そして、ステップ１６で空燃比が火炎伝播燃焼に適した空燃比に再設定し、ステップ１６に進み点火時期のリタードを行う。
【００４１】
ステップ１８にて、現状圧縮比(actualε)が目標圧縮比(targetε)以下となるまで繰り返す。機械圧縮比が目標値に達した後は、ステップ１９にて、空燃比を出力空燃比近傍（Ａ/Ｆで１０〜１３付近）に設定し出力の向上を図ると同時に、本制御を終了する。
【実施例３】
【００４２】
次に、実施例３の説明について行う。実施例３の構成は実施例１と同じである。実施例３では、実施例１のように負荷上昇時に空燃比をリーンにする一方で、その後の所定の機関空燃比をリッチにすることで、排気系にある触媒浄化装置１７における酸素のストレージ量をゼロになるようにし、触媒浄化機能を復元するというものである。
【００４３】
図１０に、実施例３におけるタイムチャートを示す。図中のＡ時点では、負荷上昇前のため機械圧縮比は高圧縮比で、空燃比はストイキ状態にある。Ｂ時点で、負荷の上昇要求が入ると、実際の機関の負荷は上昇することとなるが、このとき機械圧縮比は、目標の圧縮比に対して実際の圧縮比は遅れてなだらかに低下することとなる。そのため、Ｂ時点では、異常燃焼を回避するために空燃比をリーンに設定する。その後、Ｃ時点において異常燃焼が発生しない状態にまで実際の機械圧縮比が低下したとき、触媒浄化装置１７の酸素ストレージ量を低下させるために、逆に空燃比をリッチにする。リッチにする期間は、リーンにしたサイクル数に応じて決めても良いし、リーンにした時間に応じて決めても良い。Ｄ時点では空燃比のリッチ制御を通常の制御に戻し、空燃比をストイキ付近にまで戻す。
【００４４】
図１１に、実施例３のフローチャートを示す。ステップ１（図においては「Ｓ１」と記載する）のアクセル開度の検出からステップ８の異常燃焼の推定までは、図５の実施例１のフローチャートと同一である。
【００４５】
ステップ８にて異常燃焼の判定が行われ、異常燃焼と判断された場合にはステップ１３まで進み、さらにリーン燃焼で回避可能と判定された場合にステップ１４に進み、リーン燃焼を行ったサイクル数を算出し、以後積算する計算を行う。
【００４６】
現状の圧縮比が目標圧縮比に近づき目標値との差Δε（targetε-actualε）が低下し、異常燃焼が発生しない機械圧縮比となった場合は、ステップ８にてステップ１０へ進む判定が行われる。ステップ１０では、ステップ１４にて積算されたリーン燃焼を実施したサイクル数に基づいて、ステップ１１にて少なくとも略同サイクル分は理論空燃比よりもリッチ空燃比へ設定する。リーン燃焼を行ったサイクルの直後へ触媒のＯ２ストレージ量がゼロとなるようにリッチ燃焼サイクルを設ける。これにより、エンジン下流の排気管で他の気筒との干渉によってリーン燃焼での排出ガスとリッチ燃焼による排出ガスが急速に干渉・混合することにより、触媒前までにλ＝１近傍の排出ガス組成とする。この結果、３元触媒内のＯ２ストレージ量が適量（例えばストレージ可能容量の５０％）となって、その後の排気浄化性能が向上する。その後、ステップ１７にて機械圧縮比が目標に達したときには、ステップ１８でＦｌａｇを０にした後、ステップ１９にて出力空燃比に設定した後処理を終了する
【実施例４】
【００４７】
次に、実施例４の説明について行う。実施例４の構成は図示しないが、実施例１の内燃機関本体１に、筒内直接燃料噴射が可能な噴射弁が追加される。
【００４８】
図１２は、実施例４における燃料噴射時期について模式図である。図１２に示すように、１サイクル中に少なくとも２回以上の複数回の燃料噴射を行い、プレイグやノッキングなどの異常燃焼を回避するために、リーン燃焼が要求されたサイクルにおいては、主燃焼開始後に追加の燃料噴射が設定される。燃焼時の空燃比はリーンとし、その後燃焼後半から排気弁開時期までの間の同じサイクルにおいて追加の燃料を噴射することから、排気弁開時期までに燃焼ガスの全体空燃比は理論空燃比付近となるため、実施例３のようにリーン燃焼後にリッチ燃焼を行う必要がなく、３元触媒により確実に排気浄化が可能であり制御が簡便でよい。また、燃料の筒内への直接噴射によって蒸発潜熱により筒内温度が低下し、さらに乱れが与えられて火炎伝播速度が向上することから、プレイグやノッキングなどの異常燃焼が発生しにくくなる効果も得られる。
【００４９】
図１３は、実施例４におけるタイムチャートを示す。圧縮比の応答遅れが発生する期間において、リーン燃焼が適用される。１段目の噴射による希薄で概ね均質な混合気の形成と、その後の点火によって主燃焼が行われる。このため、燃焼空燃比はリーンに保たれ、ノッキングやプレイグニッションは回避される。その後に２段目の燃料噴射を行うため、１サイクルの全体空燃比は常にλ＝１付近に保たれることとなる。
【符号の説明】
【００５０】
１  内燃機関本体
２  シリンダーヘッド
３  シリンダーブロック
４  ピストン
１２  点火プラグ
１３  機関コントロールユニット
１６  燃料噴射弁
１７  触媒浄化装置
２４  機械圧縮比変更用アクチュエータ
【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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