(57)【要約】【課題】エンジン負荷が低く内部ＥＧＲ率が高く設定された運転条件への減速時において、混合気の空燃比を適正に制御しつつより確実に燃焼騒音の増大を抑制する。【解決手段】混合気の空気過剰率が１以下に設定された領域の第１運転条件からこの領域のうち第１運転条件よりもエンジン負荷が低く、かつ、内部ＥＧＲ率が高い第２運転条件へと移行する減速時において、第２運転条件に対応する本来の噴射量よりも少ない量の燃料を圧縮上死点よりも前に噴射する第１噴射に加えて、第２運転条件に対応する本来の噴射量から第１噴射による噴射量を引いた量以上の燃料を膨張行程の前半で噴射する第２噴射を、一時的に、燃料噴射装置１５に実施させる。【選択図】図１０
2015124679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒に形成された燃焼室内に燃料を噴射可能な燃料噴射装置を有し、前記燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させてピストンを往復運動させる直噴エンジンの制御装置であって、
エンジンの運転状態を判定する判定手段と、
前記燃焼室内に既燃ガスである内部ＥＧＲガスを残存させる内部ＥＧＲを実施する内部ＥＧＲ手段と、
エンジン負荷が所定負荷以上の特定高負荷領域での運転であることが前記判定手段により判定された場合に、混合気の空気過剰率が１以下となるように前記燃料噴射装置を含むエンジンの各部を制御する燃焼制御手段とを備え、
前記燃焼制御手段は、
前記特定高負荷領域における少なくとも低負荷側の一部で、前記内部ＥＧＲ手段に内部ＥＧＲを実施させるとともに、
エンジン負荷の低下に伴い、前記特定高負領域内の第１運転条件から、特定運転領域内で前記燃焼室内の全ガス量に占める前記内部ＥＧＲガス量の割合である内部ＥＧＲ率が前記第１運転条件よりも高く設定された第２運転条件へと移行する減速時において、前記第２運転条件に対応する本来の噴射量よりも少ない量の燃料を吸気行程と圧縮行程の少なくとも一方で噴射する第１噴射と、前記第２運転条件に対応する本来の噴射量から前記第１噴射による噴射量を引いた量以上の燃料を膨張行程の前半で噴射する第２噴射とを、前記燃料噴射装置に一時的に実施させることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の直噴エンジンの制御装置であって、
前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、複数サイクルにわたって、前記燃料噴射装置に、前記第１噴射と前記第２噴射とを実施させるとともに、前記減速直後からの経過サイクル数が多いほど、前記第１噴射の噴射量を増大させ、かつ、前記第２噴射の噴射量を減少させることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の直噴エンジンの制御装置であって、
前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、前記内部ＥＧＲ率が前記第２運転条件に対応する本体の値よりも一時的に低い値となるように、前記内部ＥＧＲ手段を制御するとともに、前記第２噴射の噴射量を、前記第２運転条件に対応する本来の噴射量から前記第１噴射による噴射量を引いた量より多くすることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の直噴エンジンの制御装置であって、
前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、複数サイクルにわたって、前記内部ＥＧＲ率が前記第２運転条件に対応する本来の値よりも低い値となるように前記内部ＥＧＲ手段を制御し、かつ、前記燃料噴射装置に、前記第１噴射と前記第２噴射とを実施させるとともに、前記減速直後からの経過サイクル数が多いほど、前記内部ＥＧＲ率を高くし、前記第２噴射の噴射量を多くし、かつ、前記第２噴射の噴射量を少なくすることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の直噴エンジンの制御装置であって、
前記気筒に設けられた吸気弁の閉弁時期を変更可能であって、前記燃焼制御手段により制御される吸気閉弁時期変更手段を備え、
前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から第２運転条件へと移行する減速時において、前記吸気閉弁時期変更手段により設定される前記吸気弁の閉弁時期を、前記第２運転条件に対応する本来の閉弁時期よりも一時的に進角または遅角させて前記燃焼室内に導入される新気の量を減少させることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の直噴エンジンの制御装置であって、
前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、複数サイクルにわたって、前記吸気弁の閉弁時期が前記第２運転条件に対応する本来の時期よりも進角側となるように前記吸気閉弁時期変更手段を制御させるとともに、前記減速直後からの経過サイクル数が多いほど、前記吸気弁の進角量を少なくすることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【請求項７】
気筒に形成された燃焼室内に燃料を噴射可能な燃料噴射装置を有し、前記燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させてピストンを往復運動させる直噴エンジンの制御装置であって、
エンジンの運転状態を判定する判定手段と、
前記燃焼室内に既燃ガスである内部ＥＧＲガスを残存させる内部ＥＧＲを実施する内部ＥＧＲ手段と、
前記気筒に設けられた吸気弁の閉弁時期を変更可能であって、前記燃焼制御手段により制御される吸気閉弁時期変更手段と、
エンジン負荷が所定負荷以上の特定高負荷領域での運転であることが前記判定手段により判定された場合に、混合気の空気過剰率が１以下となるように前記燃料噴射装置および前記吸気閉弁時期変更手段を含むエンジンの各部を制御する燃焼制御手段とを備え、
前記燃焼制御手段は、
前記特定高負荷領域における少なくとも低負荷側の一部で、前記内部ＥＧＲ手段に内部ＥＧＲを実施させるとともに、
エンジン負荷の低下に伴い、前記特定高負領域内の第１運転条件から、特定運転領域内で前記燃焼室内の全ガス量に占める前記内部ＥＧＲガス量の割合である内部ＥＧＲ率が前記第１運転条件よりも高く設定された第２運転条件へと移行する減速時において、前記燃料噴射装置により噴射される燃料の噴射量を、前記第２運転条件に対応する本来の噴射量よりも一時的に少なくし、かつ、前記吸気閉弁時期変更手段により設定される前記吸気弁の閉弁時期を、前記第２運転条件に対応する本来の閉弁時期よりも一時的に進角または遅角させて前記燃焼室内に導入される新気の量を減少させることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載の直噴エンジンの制御装置であって、
前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、複数サイクルにわたって、前記燃料噴射装置により噴射される噴射量を前記第２運転条件に対応する本来の噴射量よりも少ない量にし、かつ、前記吸気弁の閉弁時期が前記第２運転条件に対応する本来の時期よりも進角側となるように前記吸気閉弁時期変更手段を制御させるとともに、前記減速直後からの経過サイクル数が多いほど、前記噴射量を増大させ、かつ、前記吸気弁の進角量を少なくすることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の直噴エンジンの制御装置であって、
前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、前記内部ＥＧＲ率が前記第２運転条件に対応する本来の値よりも一時的に低い値となるように、前記内部ＥＧＲ手段を制御することを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の直噴エンジンの制御装置であって、
前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、複数サイクルにわたって、前記内部ＥＧＲ率が前記第２運転条件に対応する本来の値よりも低い値となるように前記内部ＥＧＲ手段を制御するとともに、前記減速直後からの経過サイクル数が多いほど、前記内部ＥＧＲ率を高くすることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の直噴エンジンの制御装置であって、
前記燃焼室内の混合気に点火する点火手段を有し、
前記第２運転条件は、前記点火手段による点火により前記混合気が火花点火燃焼するよう設定された運転条件であることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の直噴エンジンの制御装置であって、
前記第１運転条件は、前記燃焼室内の混合気が自着火により燃焼するように設定された運転条件であることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直噴エンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃費性能の向上等を目的として、エンジン本体の気筒に形成された燃焼室内で圧縮自着火燃焼を実施することが行われている。
【０００３】
圧縮自着火燃焼では、気筒内の混合気の温度を自着火可能な温度にまで高める必要がある。そのため、通常、圧縮自着火燃焼を実施する際には、内部ＥＧＲを実施して高温の既燃ガス（内部ＥＧＲガス）を燃焼室内に残存させることにより混合気が昇温されている。そして、特許文献１に示されるように、この圧縮自着火燃焼が実施される領域では、エンジン負荷が低いほど混合気の温度が低くなりやすいことから、エンジン負荷が低いほど内部ＥＧＲ率が高く設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１７２６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１のようにエンジン負荷が低いほど内部ＥＧＲ率が高く設定されている場合等、高負荷側の方が低負荷側よりも内部ＥＧＲ率が低い場合では、これらの運転条件間でエンジン負荷を下げる方向に減速すると、燃焼騒音が増大するおそれがある。
【０００６】
具体的には、エンジン負荷が高いほど、発熱量は多く、これに伴い排ガス温度および燃焼室の壁面温度は高い。そして、エンジン負荷が高くこれら温度が高い運転条件からエンジン負荷を低下させた場合、これら温度はすぐに低下しない。そのため、減速時には、燃焼室の壁面温度および内部ＥＧＲガスの温度が減速先の運転条件に対応した温度よりも高くなるとともに、この適正な温度よりも高温のＥＧＲガスが増加される結果、混合気の温度および燃焼温度が過昇温して燃焼騒音が増大する。特に、減速先において圧縮自着火燃焼が実施される場合には、燃焼温度の過昇温に伴って燃焼騒音が許容範囲を超えて増大する可能性が高い。
【０００７】
また、減速時には、混合気の空燃比が適正な値からずれて適正なエンジン性能が得られないという問題がある。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、エンジン負荷が低く内部ＥＧＲ率が高く設定された運転条件への減速時において、混合気の空燃比を適正に制御しつつより確実に燃焼騒音の増大を抑制することのできる直噴エンジンの制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、気筒に形成された燃焼室内に燃料を噴射可能な燃料噴射装置を有し、前記燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させてピストンを往復運動させる直噴エンジンの制御装置であって、エンジンの運転状態を判定する判定手段と、前記燃焼室内に既燃ガスである内部ＥＧＲガスを残存させる内部ＥＧＲを実施する内部ＥＧＲ手段と、エンジン負荷が所定負荷以上の特定高負荷領域での運転であることが前記判定手段により判定された場合に、混合気の空気過剰率が１以下となるように前記燃料噴射装置を含むエンジンの各部を制御する燃焼制御手段とを備え、前記燃焼制御手段は、前記特定高負荷領域における少なくとも低負荷側の一部で、前記内部ＥＧＲ手段に内部ＥＧＲを実施させるとともに、エンジン負荷の低下に伴い、前記特定高負領域内の第１運転条件から、特定運転領域内で前記燃焼室内の全ガス量に占める前記内部ＥＧＲガス量の割合である内部ＥＧＲ率が前記第１運転条件よりも高く設定された第２運転条件へと移行する減速時において、前記第２運転条件に対応する本来の噴射量よりも少ない量の燃料を吸気行程と圧縮行程の少なくとも一方で噴射する第１噴射と、前記第２運転条件に対応する本来の噴射量から前記第１噴射による噴射量を引いた量以上の燃料を膨張行程の前半で噴射する第２噴射とを、前記燃料噴射装置に一時的に実施させることを特徴とする直噴エンジンの制御装置を提供する（請求項１）。
【００１０】
本発明によれば、内部ＥＧＲ率の高い第２運転条件への減速時において、圧縮行程または吸気行程の少なくとも一方で噴射される第１噴射の噴射量を第２運転条件に対応する本来の噴射量よりも減少させているため、内部ＥＧＲガスの増加、内部ＥＧＲガスの温度および燃焼室の壁面温度の追従遅れに伴う混合気の過昇温に抗して、圧縮上死点付近で生成する熱発生量を少なく抑えて燃焼温度の過昇温を抑制することができ、燃焼騒音の増大をより確実に抑制することができる。しかも、本発明では、前記減速時において、膨張行程の前半であって生じた熱エネルギによる温度上昇が小さいタイミングで噴射する第２噴射を実施し、この第２噴射の噴射量を、前記第１噴射の噴射量の減少量以上としている。そのため、前記のように、第１噴射の噴射量の低減によって燃焼騒音の増大を抑制しつつ、減速時において総噴射量を減速先の運転条件に対応する本来の総噴射量以上として、混合気の空気過剰率を減速先の運転条件について予め設定された１以下の値にすることができ、より適正なエンジン性能を確保することができる。
【００１１】
本発明において、前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、複数サイクルにわたって、前記燃料噴射装置に、前記第１噴射と前記第２噴射とを実施させるとともに、前記減速直後からの経過サイクル数が多いほど、前記第１噴射の噴射量を増大させ、かつ、前記第２噴射の噴射量を減少させるのが好ましい（請求項２）。
【００１２】
この構成によれば、複数サイクルにわたって燃焼温度を低く抑えて、燃焼騒音の増大をより確実に抑制できるとともに、より早期に混合気の温度を第２運転条件における適正な温度にすることができる。また、経過サイクル数が多いほど第１噴射の噴射量が増大され、かつ、第２噴射の噴射量が低減されるため、第２運転条件に対応する本来の噴射状態により円滑に移行することができる。
【００１３】
また、本発明において、前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、前記内部ＥＧＲ率が前記第２運転条件に対応する本体の値よりも一時的に低い値となるように、前記内部ＥＧＲ手段を制御するとともに、前記第２噴射の噴射量を、前記第２運転条件に対応する本来の噴射量から前記第１噴射による噴射量を引いた量より多くするのが好ましい（請求項３）。
【００１４】
このようにすれば、前記減速時に内部ＥＧＲ率が増大して高温の内部ＥＧＲガスが導入されることに伴う燃焼温度の増大を抑制することができ、より確実に燃焼騒音の増大を抑制することができる。ここで、内部ＥＧＲ率の増加が抑制されると新気量が増大するが、本構成では、内部ＥＧＲ率の増加を抑制しつつ第２噴射の噴射量を前記第１噴射の減少量よりも多くしているため、混合気の空気過剰率をより確実に１以下に抑えることができる。
【００１５】
前記構成において、前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、複数サイクルにわたって、前記内部ＥＧＲ率が前記第２運転条件に対応する本来の値よりも低い値となるように前記内部ＥＧＲ手段を制御し、かつ、前記燃料噴射装置に、前記第１噴射と前記第２噴射とを実施させるとともに、前記減速直後からの経過サイクル数が多いほど、前記内部ＥＧＲ率を高くし、前記第２噴射の噴射量を多くし、かつ、前記第２噴射の噴射量を少なくするのが好ましい（請求項４）。
【００１６】
このようにすれば、前記減速時において、複数サイクルにわたって、混合気の空気過剰率を１以下に抑えつつ、内部ＥＧＲ率の増大に伴う燃焼温度の増大を抑制して、燃焼騒音の増大をより確実に抑制することができるとともに、第２運転条件に対応する本来の内部ＥＧＲ率および噴射状態に円滑に移行することができる。
【００１７】
また、本発明において、前記気筒に設けられた吸気弁の閉弁時期を変更可能であって、前記燃焼制御手段により制御される吸気閉弁時期変更手段を備え、前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から第２運転条件へと移行する減速時において、前記吸気閉弁時期変更手段により設定される前記吸気弁の閉弁時期を、前記第２運転条件に対応する本来の閉弁時期よりも一時的に進角または遅角させて前記燃焼室内に導入される新気の量を減少させるのが好ましい（請求項５）。
【００１８】
このようにすれば、前記減速時において吸気弁の閉弁時期の変更により新気量を減速直後、早期に少ない量に抑えることができるため、混合気の空気過剰率をより確実に１以下にすることができる。
【００１９】
前記構成において、前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、複数サイクルにわたって、前記吸気弁の閉弁時期が前記第２運転条件に対応する本来の時期よりも進角側となるように前記吸気閉弁時期変更手段を制御させるとともに、前記減速直後からの経過サイクル数が多いほど、前記吸気弁の進角量を少なくするのが好ましい（請求項６）。
【００２０】
このようにすれば、減速時において、複数サイクルにわたって、混合気の空気過剰率をより確実に１以下に抑えることができるとともに、吸気弁の閉弁時期を第２運転条件に対応する本来の時期に円滑に移行することができる。
【００２１】
また本発明は、気筒に形成された燃焼室内に燃料を噴射可能な燃料噴射装置を有し、前記燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させてピストンを往復運動させる直噴エンジンの制御装置であって、エンジンの運転状態を判定する判定手段と、前記燃焼室内に既燃ガスである内部ＥＧＲガスを残存させる内部ＥＧＲを実施する内部ＥＧＲ手段と、前記気筒に設けられた吸気弁の閉弁時期を変更可能であって、前記燃焼制御手段により制御される吸気閉弁時期変更手段と、エンジン負荷が所定負荷以上の特定高負荷領域での運転であることが前記判定手段により判定された場合に、混合気の空気過剰率が１以下となるように前記燃料噴射装置および前記吸気閉弁時期変更手段を含むエンジンの各部を制御する燃焼制御手段とを備え、前記燃焼制御手段は、前記特定高負荷領域における少なくとも低負荷側の一部で、前記内部ＥＧＲ手段に内部ＥＧＲを実施させるとともに、エンジン負荷の低下に伴い、前記特定高負領域内の第１運転条件から、特定運転領域内で前記燃焼室内の全ガス量に占める前記内部ＥＧＲガス量の割合である内部ＥＧＲ率が前記第１運転条件よりも高く設定された第２運転条件へと移行する減速時において、前記燃料噴射装置により噴射される燃料の噴射量を、前記第２運転条件に対応する本来の噴射量よりも一時的に少なくし、かつ、前記吸気閉弁時期変更手段により設定される前記吸気弁の閉弁時期を、前記第２運転条件に対応する本来の閉弁時期よりも一時的に進角または遅角させて前記燃焼室内に導入される新気の量を減少させることを特徴とする直噴エンジンの制御装置を提供する（請求項７）。
【００２２】
この発明によれば、内部ＥＧＲ率の高い第２運転条件への減速時において、噴射量を第２運転条件に対応する本来の噴射量よりも減少させているため、内部ＥＧＲガスの増加、内部ＥＧＲガスの温度および燃焼室の壁面温度の追従遅れに伴う混合気の過昇温に抗して、熱発生量を少なく抑えて燃焼温度の過昇温を抑制することができ、燃焼騒音の増大をより確実に抑制することができる。しかも、本発明では、前記減速時において、吸気弁の閉弁時期が本来の時期よりも進角あるいは遅角され、これにより新気量を少なく抑えることができるため、混合気の空気過剰率をより確実に１以下にしてより適正なエンジン性能を得ることができる。
【００２３】
この発明において、前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、複数サイクルにわたって、前記燃料噴射装置により噴射される噴射量を前記第２運転条件に対応する本来の噴射量よりも少ない量にし、かつ、前記吸気弁の閉弁時期が前記第２運転条件に対応する本来の時期よりも進角側となるように前記吸気閉弁時期変更手段を制御させるとともに、前記減速直後からの経過サイクル数が多いほど、前記噴射量を増大させ、かつ、前記吸気弁の進角量を少なくするのが好ましい（請求項８）。
【００２４】
このようにすれば、前記減速時において、複数サイクルにわたって、燃焼騒音の増大をより確実に抑制しつつ、混合気の空気過剰率をより確実に１以下に抑えることができるとともに、噴射量および吸気弁の閉弁時期を第２運転条件に対応する本来の値に円滑に移行することができる。
【００２５】
前記発明において、前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、前記内部ＥＧＲ率が前記第２運転条件に対応する本来の値よりも一時的に低い値となるように、前記内部ＥＧＲ手段を制御するのが好ましい（請求項９）。
【００２６】
このようにすれば、前記減速時に内部ＥＧＲ率が増大して高温の内部ＥＧＲガスが導入されることに伴う燃焼温度の増大を抑制することができ、より確実に燃焼騒音の増大を抑制することができる。
【００２７】
また、前記構成において、前記燃焼制御手段は、前記第１運転条件から前記第２運転条件へと移行する減速時において、複数サイクルにわたって、前記内部ＥＧＲ率が前記第２運転条件に対応する本来の値よりも低い値となるように前記内部ＥＧＲ手段を制御するとともに、前記減速直後からの経過サイクル数が多いほど、前記内部ＥＧＲ率を高くするのが好ましい（請求項１０）。
【００２８】
このようにすれば、前記減速時において、複数サイクルにわたって内部ＥＧＲ率の増大に伴う燃焼温度の増大を抑制して、燃焼騒音の増大をより確実に抑制することができるとともに、第２運転条件に対応する本来の内部ＥＧＲ率に円滑に移行することができる。
【００２９】
ここで、第２運転条件としては、前記燃焼室内の混合気に点火する点火手段による点火により前記混合気が火花点火燃焼するよう設定された運転条件が挙げられる（請求項１１）。
【００３０】
また、第１運転条件としては、前記燃焼室内の混合気が自着火により燃焼するように設定された運転条件が挙げられる（請求項１２）。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、エンジン負荷が低く内部ＥＧＲ率が高く設定された運転条件への減速時に、より確実に燃焼騒音の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジンシステムを示す概略図である。
【図２】図１に示すエンジンシステムの制御に係るブロック図である。
【図３】図１に示す燃焼室を拡大して示す断面図である。
【図４】（ａ）通常モードにおける排気弁のリフト特性を示した図である。（ｂ）特殊モードにおける排気弁のリフト特性を示した図である。
【図５】エンジンの運転制御マップを例示する図である。
【図６】エンジン負荷と混合気に含まれるガスの割合を示した図である。
【図７】エンジン負荷と混合気に含まれるガスの割合を示した図である。
【図８】減速時に生じる問題点を説明するための図である。
【図９】図８に示した減速時における噴射パターンおよび熱発生率を示した図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る制御を実施した際の減速時の各パラメータの変化を示した図である。
【図１１】図１０に示した減速時における熱発生率を示した図である。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る制御を実施した際の減速時の各パラメータの変化を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３４】
図１は、本発明に係る直噴エンジンの制御装置が適用されたエンジンシステム１００の概略構成図である。エンジンシステム１００は、車両に搭載されて、エンジン本体１を有する。
【００３５】
エンジン本体１は、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンであり、４サイクルエンジン、すなわち、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が順に実施されるエンジンである。エンジン本体１は、後述するように、インジェクタ（燃料噴射装置）１５により燃料を気筒１０（燃焼室１１）内に直接噴射可能に構成された直噴エンジンである。また、エンジン本体１は、後述するように、圧縮自着火燃焼が実現されるエンジンである。
【００３６】
エンジン本体１は、気筒１０が形成されたシリンダブロック１２とシリンダヘッド１３とを有する。本実施形態では、４つの気筒１０がシリンダブロック１２に直列に形成されている。各気筒１０内には、コンロッドを介してクランクシャフトと連結されたピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。そして、各気筒１０内には、気筒１０の内側面とピストン１４の冠面とシリンダヘッド１３とによって囲まれた燃焼室１１が形成されている。
【００３７】
以下、ピストン１４の往復動方向を上下方向といい、シリンダブロック１２に対してシリンダヘッド１３が配置されている側を上側という。
【００３８】
本実施形態では、熱効率の向上や圧縮自着火燃焼の安定化等を目的として、エンジン本体１の幾何学的圧縮比は、１５以上の比較的高い値に設定されている。エンジン本体１の幾何学的圧縮比は、これに限定されるものではないが、１５以上２０以下程度の範囲が好ましい。
【００３９】
ピストン１４および燃焼室１１は、図３に示すような構成を有する。ピストン１４の冠面すなわち上面の径方向中央には、シリンダヘッド１３および燃焼室１１の天井から離間する方向すなわち下方に凹む凹状を有するキャビティ１１ａが形成されている。キャビティ１１ａは、その上端に、燃焼室１１の天井向きすなわち上向きの開口部を有している。キャビティ１１ａの開口部の開口面積は、キャビティ１１ａの内部の各高さ位置での水平方向断面の面積の最大値よりも小さく設定されている。すなわち、キャビティ１１ａは、その開口部から所定深さまでの範囲において、上方に至るほど内径が狭くなるように上窄まり状になっている。
【００４０】
シリンダヘッド１３には、気筒１０毎に、燃焼室１１内に燃料を直接噴射するインジェクタ１５が取り付けられている。インジェクタ１５は、図３に示すように、その噴口がキャビティ１１ａの径方向中央と対向するように、燃焼室１１の天井面の径方向中央から燃焼室１１内に臨むように配設されている。本実施形態では、インジェクタ１５は、複数の噴口を有する多噴口型であり、インジェクタ１５から噴射された燃料噴霧は、燃焼室１１の径方向中央から下向き放射状に広がる。インジェクタ１５は、燃料供給システム（不図示）により燃料タンク（不図示）から圧送された比較的高圧の燃料を燃焼室１１内に噴射する。
【００４１】
シリンダヘッド１３には、燃焼室１１内の混合気に強制点火する点火プラグ１６が気筒１０毎に取り付けられている。各点火プラグ１６は、その先端に設けられた電極部分がインジェクタ１５の噴口近傍に位置するように配置されている。
【００４２】
シリンダヘッド１３には、気筒１０毎に、気筒１０内に吸気を導入するための吸気ポート１７および気筒１０内から排気を排出するための排気ポート１８がそれぞれ形成されている。吸気ポート１７および排気ポート１８には、これら各ポート１７，１８、詳細には、シリンダヘッド１３に形成されたこれら各ポート１７，１８の開口をそれぞれ開閉する吸気弁２１および排気弁２２がそれぞれ配設されている。
【００４３】
排気弁２２は、排気弁駆動機構（内部ＥＧＲ手段）２３によって駆動される。排気弁駆動機構２３は、排気バルブリフト可変機構（以下、排気ＶＶＬ（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｖａｌｖｅ  Ｌｉｆｔ）という）２３ａと、排気位相可変機構（以下、排気ＶＶＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｖａｌｖｅ  Ｔｉｍｉｎｇ）という）２３ｂとを含む。
【００４４】
排気ＶＶＬ２３ａは、排気弁２２の作動モードを図４（ａ）に示す通常モードと、図４（ｂ）に示す特殊モードとに切り替える。通常モードでは、排気弁２２は主に排気行程中に開弁する（開弁開始から閉弁までの期間の大部分が排気行程と重なる）。排気弁２２のバルブリフトは、開弁後徐々に増大していき、最大リフトに到達すると再び徐々に減少してゼロに至る。特殊モードでは、排気弁２２のバルブリフトは、通常モードと同様に、第１の開弁期間ｔ＿１中は、開弁後徐々に増大し最大リフトに到達した後再び徐々に減少していくが、そのままゼロに至ることなく、そのリフト量すなわち第１の開弁期間ｔ＿１での最大リフトよりも低いリフトを第２の開弁期間ｔ＿２維持した後ゼロに至る。排気ＶＶＬ２３ａは、これらのモードを実現するために、カム形状が互いに異なる第１カムと第２カムとを有する。第１カムは、図４（ａ）に示すリフト特性に対応した形状を有し、カム山を１つ有する。第２カムは、図４（ｂ）に示すリフト特性に対応した形状を有し、カム山を２つ有する。排気ＶＶＬ２３ａは、第１カムと第２カムの作動状態を選択的に排気弁２２に伝達するロストモーション機構を含んでおり、第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達することで排気弁２２の作動状態を通常モードとし、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達することで排気弁２２の作動状態を特殊モードとする。排気ＶＶＬ２３ａは、例えば油圧作動式である。
【００４５】
排気ＶＶＴ２３ｂは、クランクシャフトに対する排気カムシャフトの回転位相を変更して排気弁２２の開弁時期と閉弁時期とを変更する。なお、排気ＶＶＴ２３ｂは、通常モードおよび特殊モードの各モードで、それぞれ排気弁２２の開弁期間を一定に維持したまま、排気弁２２の開弁時期と閉弁時期とを変更する。排気ＶＶＴ２３ｂは、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての説明は省略する。
【００４６】
排気ＶＶＴ２３ｂは、排気弁２２の作動状態が特殊モードとされている場合、排気弁２２が排気行程に加えて吸気行程でも開弁するように、排気カムシャフトの回転位相を設定する。また、排気ＶＶＴ２３ｂは、排気弁２２の作動状態が特殊モードとされている場合、第２の開弁期間ｔ＿２中に排気上死点（図４（ｂ）のＴＤＣ）がくるように、すなわち排気上死点における排気弁２２のバルブリフトが第２の開弁期間ｔ＿２中に実現される比較的小さい値となるように、排気カムシャフトの回転位相を設定する。このように、本実施形態では、排気弁２２の作動状態が特殊モードとされることで、排気弁２２が排気行程に加えて吸気行程中にも開弁する排気二度開きが実施される。特に、本実施形態では、排気弁２２は、途中で閉弁することなく排気上死点を挟んで排気行程と吸気行程において連続して開弁する。ここで、このように排気弁２２を排気上死点を挟んで連続して開弁させた場合には、排気弁２２とピストン１４とが干渉するおそれがある。これに対して、本実施形態では、前述のように、排気上死点付近での排気弁２２のバルブリフト量が小さい値に抑えられるため、排気弁２２とピストン１４との干渉を回避することができる。排気二度開きすなわち特殊モードは、高温の既燃ガスすなわち内部ＥＧＲガスを燃焼室１１内に残留させていわゆる内部ＥＧＲを行うために実施される。具体的には、排気二度開きが実施されて吸気行程中にも排気弁２２が開弁していると、排気行程で一旦排気ポート１８に排出された排気が吸気行程中に燃焼室１１内に逆流して排気すなわち高温の既燃ガスが燃焼室１１内に残留する。
【００４７】
そして、本実施形態では、排気二度開きが実施された状態で、排気ＶＶＴ２３ｂにより排気弁２２の閉弁時期が変更されることで、燃焼室１１内の全ガス量に占める内部ＥＧＲガス量の割合である内部ＥＧＲ率が変更される。具体的には、排気ＶＶＴ２３ｂは、内部ＥＧＲ率を低下したい場合には、排気弁２２の閉弁時期を進角させて、吸気行程のより早い段階で排気弁２２を閉弁させる。このように、本実施形態では、排気ＶＶＴ２３ｂによる排気弁２２の閉弁時期の変更により内部ＥＧＲ率が変更されるため、内部ＥＧＲ率は早期に変更される。
【００４８】
吸気弁２１は、吸気弁駆動機構２４によって駆動される。吸気弁駆動機構２４は、吸気弁２１の吸気弁２１の開弁期間を一定に維持したまま開弁時期と閉弁時期とを変更する吸気ＶＶＴ（吸気閉弁時期変更手段）２４ｂを含む。吸気ＶＶＴ２４ｂは、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての説明は省略する。また、吸気弁駆動機構２４は、さらに、吸気弁２１のバルブリフトを変更可能な吸気ＶＶＬ２４ａを含んでも良い。
【００４９】
各吸気ポート１７には、吸気通路３０が接続されている。具体的には、吸気通路３０の下流端には気筒１０に対応して分岐する分岐通路が形成されており、これら分岐通路と各吸気ポート１７とが接続されている。
【００５０】
吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１、スロットル弁３２、サージタンク３３が配設されている。
【００５１】
各排気ポート１８には排気通路４０が接続されている。具体的には、吸気通路３０と同様に、排気通路４０の上流端には気筒１０に対応して分岐する分岐通路が形成されており、これら分岐通路と各吸気ポート１７とが接続されている。
【００５２】
排気通路４０には、排ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置が配設されている。本実施形態では、上流側から順に直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とが設けられている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２は、三元触媒を含んでいる。
【００５３】
吸気通路３０と排気通路４０との間には、排気の一部を吸気に還流するため、すなわち、外部ＥＧＲを行うためのＥＧＲ装置（外部ＥＧＲ手段）５０が設けられている。ＥＧＲ装置５０は、ＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲクーラ５２とを含む。ＥＧＲ通路５１は、吸気通路３０のうちのサージタンク３３とスロットル弁３２との間の部分と、排気通路４０のうちの直キャタリスト４１よりも上流側の部分とを接続している。ＥＧＲクーラ５２は、ＥＧＲ通路５１を通過するガスを冷却するためのものであり、ＥＧＲ通路５１に介設されている。本実施形態では、ＥＧＲ通路５１を通過するガスは、ＥＧＲクーラ５２により必ず冷却される。ＥＧＲ通路５１には、このＥＧＲ通路５１を通過する排気の流量を調整するＥＧＲ弁５３が配設されている。以下、このＥＧＲ装置５０を用いて排気の一部を吸気に還流することを、外部ＥＧＲを行うといい、このＥＧＲ装置５０により吸気に還流された排気を外部ＥＧＲガスという場合がある。燃焼室１１内の全ガス量に占める外部ＥＧＲガス量の割合である外部ＥＧＲ率は、ＥＧＲ弁５３の開度が変更されることで変更される。
【００５４】
前記各装置は、パワートレイン・コントロール・モジュール（制御手段、以下、ＰＣＭという）６０によって制御される。ＰＣＭ６０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。
【００５５】
ＰＣＭ６０には、図１，２に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１１の検出信号が入力される。
【００５６】
センサＳＷ１は、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１である。センサＳＷ２は、新気の温度を検出する吸気温度センサである。エアフローセンサＳＷ１、吸気温度センサＳＷ２は、吸気通路３０のうちエアクリーナ３１の下流側に配設されている。センサＳＷ３は、外部ＥＧＲガスの温度を検出するためのＥＧＲガス温センサである。ＥＧＲガス温センサＳＷ３は、ＥＧＲ通路５１のうち吸気通路３０との接続部分近傍に配置されている。センサＳＷ４は気筒１０内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサである。吸気ポート温度センサＳＷ４は、吸気ポート１７に取り付けられている。センサＳＷ５は、排気温度を検出する排気温センサである。センサＳＷ６は、排気圧を検出する排気圧センサである。排気温センサＳＷ５、排気圧センサＳＷ６は、排気通路４０のうちＥＧＲ通路５１の接続部分近傍に配置されている。センサＳＷ７は、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ２センサである。リニアＯ２センサＳＷ７は、排気通路４０のうち直キャタリスト４１の上流側に配置されている。センサＳＷ８は、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ２センサである。ラムダＯ２センサＳＷ８は、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置されている。センサＳＷ９は、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサである。センサＳＷ１０は、クランクシャフトの回転角を検出するクランク角センサである。センサＳＷ１１は、車両のアクセルペダル（不図示）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサである。
【００５７】
ＰＣＭ６０は、各センサＳＷ１〜１１の検出信号に基づいて種々の演算を行う。ＰＣＭ６０は、これらの検出信号に基づいてエンジン本体１や車両の運転条件を判定する。ＰＣＭ６０は、運転条件に応じてインジェクタ１５、点火プラグ１６、燃料供給システム、吸気ＶＶＴ２４ｂ、吸気ＶＶＬ２４ａ、排気ＶＶＴ２３ｂ、排気ＶＶＬ２３ａ、各種の弁（スロットル弁３２、ＥＧＲ弁５３）のアクチュエータへ制御信号を出力して、これらを制御する。このように、本実施形態では、ＰＣＭ６０が、エンジン回転数、エンジン負荷等からエンジンの運転状態を判定する判定手段として機能するとともに、インジェクタ１５等を制御してインジェクタ１５から噴射される噴射量、噴射タイミング、噴射パターンを変更し、排気ＶＶＴ２３ｂを制御して内部ＥＧＲ率や混合気の空気過剰率を変更するとともに、吸気ＶＶＴ２４ｂを制御して吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣを変更する燃焼制御手段として機能する。
【００５８】
ＰＣＭ６０による制御内容について次に説明する。
【００５９】
図５は、横軸がエンジンの回転数、縦軸がエンジン負荷の制御マップである。エンジン負荷が予め設定された燃焼切替用負荷Ｔ１以上となるＳＩ（Ｓｐａｒｋ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼領域で圧縮自着火燃焼を実施すると燃焼騒音が問題となるため、本エンジンシステム１００では、このＳＩ燃焼領域では、点火プラグ１６による点火を行って混合気を燃焼させる火花点火燃焼を実施する。一方、燃焼騒音が小さく抑えられるエンジン負荷が燃焼切替用負荷Ｔ１未満の領域に設定されたＣＩ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼領域（圧縮自着火燃焼領域）では点火プラグ１６により点火を行わずに混合気を自着火させて燃焼させる圧縮自着火燃焼を実施する。ＳＩ燃焼領域では、圧縮行程に燃料噴射が行われ、圧縮上死点付近で点火されることで、混合気は燃焼する。一方、ＣＩ燃焼領域では、吸気行程に燃料噴射が行われ、燃料と空気とが十分に混合された混合気が、圧縮上死点付近で自着火する。
【００６０】
エンジン負荷が予め設定されたストイキ切替用負荷Ｔ２以上となる高負荷領域では、燃焼により生じるＮＯｘ量を十分に小さく抑えることが困難になる。そのため、本エンジンシステム１００では、ストイキ切替用負荷Ｔ２以上の領域では、混合気の空燃比を理論空燃比にする、すなわち、混合気の空気過剰率λをλ＝１にする。一方、ストイキ切替用負荷Ｔ２未満の領域では、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする、すなわち、混合気の空気過剰率λをλ＞１にする。
【００６１】
本実施形態では、ストイキ切替用負荷Ｔ２は、燃焼切替用負荷Ｔ１よりも小さく設定されている。そのため、ＳＩ燃焼領域全域に加えて、ＣＩ燃焼領域のうち高負荷側の領域である第３ＣＩ燃焼領域ＣＩ＿３において、混合気の空気過剰率λはλ＝１とされる。
【００６２】
（１）ＣＩ燃焼領域でのＥＧＲ制御
ＣＩ燃焼領域において、安定した圧縮自着火燃焼を実現するためには、混合気の温度を自着火可能な温度にまで高める必要がある。そこで、ＣＩ燃焼領域では、内部ＥＧＲを実施して高温の既燃ガスである内部ＥＧＲガスを燃焼室１１内に残留させ、これにより燃焼室１１内および混合気の温度を高める。具体的には、ＣＩ燃焼領域では、その全域において、排気弁２２の作動状態を特殊モードとして排気二度開きを実施する。
【００６３】
ただし、ＣＩ燃焼領域のうちエンジン負荷がＥＧＲ切替用負荷Ｔ３よりも高い高負荷側の運転領域では、混合気の温度は十分に高く内部ＥＧＲガスを過剰に導入すると熱発生が急激に生じるすなわち熱発生率の最大値が過大となり燃焼騒音が許容範囲を超えるおそれがある。そのため、本実施形態では、エンジン負荷がＥＧＲ切替用負荷Ｔ３未満の第１ＣＩ燃焼領域ＣＩ＿１では内部ＥＧＲのみを実施する。一方、エンジン負荷がＥＧＲ切替用負荷Ｔ３以上かつ燃焼切替用負荷Ｔ１未満に設定された領域では、内部ＥＧＲに加えて外部ＥＧＲを実施してＥＧＲクーラ５２で冷却された外部ＥＧＲガスを導入し、混合気の温度が過剰に上昇するのを抑制する。すなわち、エンジン負荷がＥＧＲ切替用負荷Ｔ３以上かつ燃焼切替用負荷Ｔ１未満に設定された領域では、排気弁２２の作動状態を特殊モードとして排気二度開きを実施するとともにＥＧＲ弁５３を開弁させる。
【００６４】
本実施形態では、ＥＧＲ切替用負荷Ｔ３は、ストイキ切替用負荷Ｔ２よりも小さい値に設定されている。従って、エンジン負荷がＥＧＲ切替用負荷Ｔ３以上かつストイキ切替用負荷Ｔ２未満に設定された第２ＣＩ領域ＣＩ＿２では、内部ＥＧＲおよび外部ＥＧＲが実施されるとともに混合気の空気過剰率λがλ＞１のリーンとされつつ圧縮自着火燃焼が実施される。そして、エンジン負荷がストイキ切替用負荷Ｔ２以上かつ燃焼切替用負荷Ｔ１未満に設定された第３ＣＩ領域ＣＩ＿３では、内部ＥＧＲおよび外部ＥＧＲが実施されるとともに混合気の空気過剰率λがλ＝１とされつつ圧縮自着火燃焼が実施される。
【００６５】
ＣＩ燃焼領域において、内部ＥＧＲ率、外部ＥＧＲガス量の混合気中の割合である外部ＥＧＲ率は、エンジン負荷に応じてそれぞれ適正な値に制御される。図５のエンジン回転数ＮＥ１におけるエンジン負荷に対するガス割合の変化を図６、図７に示す。図６は、横軸をエンジン負荷とし、縦軸を燃焼室１１内に導入可能なガス量の最大量を１００％として内部ＥＧＲガス、外部ＥＧＲガス、新気のそれぞれの割合を示したものである。一方、図７は、横軸をエンジン負荷とし、縦軸を燃焼室１１内に導入されたトータルガス量すなわち内部ＥＧＲガス量と外部ＥＧＲガス量と新気量の合計量に対するこれらガスの割合を示したものである。ここで、内部ＥＧＲ率、外部ＥＧＲ率は、燃焼室１１内に導入されたトータルガス量に対する各ＥＧＲガスの割合であり、図７に示される値である。
【００６６】
図６、７に示されるように、内部ＥＧＲ率は、ＣＩ燃焼領域全域においてエンジン負荷が低くなるほど高くされる。エンジン負荷が低いほど混合気の温度も低くなりやすい。そのため、このように、エンジン負荷が低いほど高温の内部ＥＧＲガスの割合を増加させれば、混合気の温度を高めて着火性を良好に確保することができる。本実施形態では、内部ＥＧＲ率は燃焼切替用負荷Ｔ１で０とされ、この負荷Ｔ１から特定の負荷Ｔ１０までエンジン負荷の低下に対してほぼ一定の割合で増大される。そして、この特定の負荷Ｔ１０よりエンジン負荷が低い領域では、内部ＥＧＲ率は高い値で一定に維持される。
【００６７】
外部ＥＧＲ率は、外部ＥＧＲが導入されつつ混合気の空燃比がリーンとされる第３ＣＩ領域ＣＩ＿３では、エンジン負荷に対してほぼ一定に維持される。第３ＣＩ領域ＣＩ＿３よりもエンジン負荷の低い第２ＣＩ領域ＣＩ＿２では、外部ＥＧＲ率は、０から第３ＣＩ領域ＣＩ＿３の外部ＥＧＲ率の値に向かってエンジン負荷の増大に対して一定の割合で増大される。
【００６８】
（２）ＳＩ燃焼領域でのＥＧＲ制御
ＳＩ燃焼領域では、排気弁２２の作動状態は通常モードとされ、内部ＥＧＲは停止される。一方、ＳＩ燃焼領域では、全負荷を除き、他の領域において外部ＥＧＲが実施される。
【００６９】
図７に示すように、ＳＩ燃焼領域において、外部ＥＧＲ率は、エンジン負荷が高い方が小さい値となるように設定されている。本実施形態では、エンジン負荷が特定の負荷Ｔ２０よりも低い領域では、エンジン負荷に対して外部ＥＧＲ率は一定に維持され、この負荷Ｔ２０よりもエンジン負荷が高い領域では、エンジン負荷の増大に対して一定の割合で減少される。
【００７０】
ここで、前述のように、ＳＩ燃焼領域では、混合気の空気過剰率λはλ＝１とされ混合気の空燃比は理論空燃比に設定されている。そのため、ＳＩ燃焼領域のうち特定の負荷Ｔ２０より低く外部ＥＧＲ率がエンジン負荷によらずほぼ一定に維持される領域では、図６に示すように、エンジン負荷の低下に応じて、トータルガス量を低下させて新気量を負荷に応じた適正な値にする。具体的には、スロットル弁３２を絞ることで新気量およびトータルガス量を低下させる。
【００７１】
以上の制御は、各運転条件において定常運転がなされて燃焼室１１の壁面温度が安定した状態において、燃焼状態およびエンジン性能が好適な状態となるように設計されたものである。そして、エンジン負荷が低いほど燃焼室１１内での発熱量が低くなり、定常運転時ではエンジン負荷が低いほど燃焼室１１の壁面温度は低くなる。そのため、エンジン負荷が低い側への減速時であって、減速先の運転条件が、内部ＥＧＲ率の定常運転時の値が減速前よりも高い条件の場合において、前記定常運転時の制御をそのまま実施したのでは、燃焼室１１の壁面温度が減速先の運転条件における定常運転時の温度にまで即座に低下しない等により、燃焼温度が過剰になり、燃焼騒音が増大するという問題がある。特に、減速先が、圧縮自着火燃焼が実施される圧縮自着火領域である場合には、燃焼騒音が許容範囲を超える可能性が高い。
【００７２】
ここで、前記燃焼温度および燃焼騒音の増大を抑制する方法としては、例えば、減速時に噴射量を単純に低下させるという方法が考えられる。しかしながら、この方法では、混合気の空燃比がリーンすなわち空気過剰率が１以上になってしまう。そのため、混合気の空燃比が理論空燃比またはリッチすなわち混合気の空気過剰率が１以下に設定された領域では、空燃比が適正な値からずれることに伴い適正なエンジン性能が得られなくなる。
【００７３】
このことから、本発明者らは、内部ＥＧＲ率がより高い運転条件への減速時であって特に混合気の空気過剰率が１以下に設定された領域での減速について検討を行い、この場合において混合気の空気過剰率を適正な値としつつ燃焼騒音を抑制できる装置を発明した。
【００７４】
まず、前記問題点について図８を用いて説明する。
【００７５】
図８は、時刻ｔ１において、定常運転時の内部ＥＧＲ率が低く混合気の空気過剰率が１以下に設定された運転条件（第１運転条件）から定常運転時の内部ＥＧＲ率が高く混合気の空気過剰率が１以下であって圧縮自着火燃焼が実施される運転条件（第２運転条件）へ移行する減速時に、定常運転時の制御をそのまま実施した場合、すなわち、運転条件の変化に応じて単純に制御を切り替えた場合の各パラメータの時間変化を示したものである。図８には、減速前の運転条件が、図５に示すＳＩ領域の点Ｘ１であって、定常運転時の混合気の空気過剰率λがλ＝１に設定されるとともに、内部ＥＧＲ率が０、外部ＥＧＲ率が０より大きい値に設定されて、火花点火燃焼が実施される運転条件であり、減速後の運転条件が、図５に示す第３ＣＩ領域ＣＩ＿３の点Ｘ２であって、定常運転時の空気過剰率λがλ＝１に設定されるとともに、外部ＥＧＲ率が点Ｘ１での値よりも大きく、また、内部ＥＧＲ率が０より大きい値に設定されて、圧縮自着火燃焼が実施される運転条件である場合を示した。図８には、上から順に、噴射量、噴射パルス、ＥＧＲ率、燃焼室の壁面温度（燃焼室壁温）、着火前温度すなわち着火前の所定タイミングにおける燃焼室内の混合気の温度、燃焼温度（燃焼時の最高温度）、エンジントルクの変化を示している。なお、図８では、ＥＧＲ率の変化として、内部ＥＧＲ率の変化と外部ＥＧＲ率の変化とを合わせて示している。なお、噴射パルスのグラフでは、縦軸がクランク角度であって斜線をひいた部分が噴射パルスを示している。すなわち、斜線をひいた部分の進角側の縁が噴射開始タイミングであり、遅角側の縁が噴射停止タイミングであり、この部分の縦方向の長さがパルス幅を表している。そのため、この縦方向のパルス幅が大きいほど噴射量が大きいことをあらわす。
【００７６】
図８において、時刻ｔ１で減速されると、噴射量は減少され、内部ＥＧＲ率は増大される。前述のように、本実施形態では、内部ＥＧＲ率は、排気ＶＶＴ２３ｂによる排気弁２２の閉弁タイミングの変更により早期に変更される。そのため、内部ＥＧＲ率は、減速後即座に増大される。燃焼室１１の壁面温度は、減速後ゆるやかにしか低下していかず、減速後しばらくの間、減速先の運転条件の定常状態における適正温度（定常時温度）よりも高い温度となる。このように、燃焼室１１の壁面温度が適正温度よりも高いことから、減速後において、着火前温度は、減速先の運転条件の定常状態における適正温度（定常時温度）よりも高くなる。さらに、前述のように、内部ＥＧＲ率が減速直後から増加して高温の内部ＥＧＲガスが導入されるために、着火前温度は、減速前の着火前温度よりも高くなる。ここで、減速前の運転条件はエンジン負荷が高く排気温度が高い条件である。そのため、内部ＥＧＲ率の増加に伴い、この高温の内部ＥＧＲガスが多量に導入されることによって、着火前温度は特に高温となる。なお、図８に示す例では、外部ＥＧＲ率は、ＥＧＲ弁５３の駆動遅れや排気の還流遅れに伴う、トータルのＥＧＲ率（燃焼室内の全ガス量に占める外部ＥＧＲガスと内部ＥＧＲガスとを合わせた排気の割合）の適正値からのずれを、内部ＥＧＲガスを増大させることによってカバーする場合について示しており、減速直後において内部ＥＧＲガスは適正値よりも多くなり、これによっても着火前温度は高温となる。
【００７７】
そして、このように着火前温度が減速先の定常時温度および減速前の温度よりも高い値にまで過昇温すること、また、燃焼室の壁面温度が高く燃焼室壁面への熱損失が少なくなることに伴い、燃焼温度も過昇温する。具体的には、減速後しばらくの間、燃焼温度は、減速先の定常時温度および減速前の温度、さらには、燃焼騒音が増大する燃焼騒音上の上限温度である燃焼騒音上限温度よりも高くなり、これにより、減速後しばらくの間、燃焼騒音が許容範囲を超えて増大してしまう。
【００７８】
また、着火前温度の過昇温に伴う着火遅れの短縮および熱損失の低下に伴い、エンジントルクも、減速先の定常運転時のトルクすなわち目標トルク以上のトルクとなる。そのため、適正な減速感を得られないという問題も生じる。
【００７９】
図９に、図８に示した例における、時刻ｔ１（減速直後）での噴射パルスおよび熱発生率を示す。図９には、図８に示した例における熱発生率を実線で示すとともに、減速先の運転条件における定常時の熱発生率すなわち適正な熱発生率を合わせて破線で示す。図９に示すように、図８に示した例では、減速直後において、熱発生率は定常時に比べて非常に急激に立ち上がるとともに非常に高い値にまで上昇しており、着火前温度が高いことから吸気行程で噴射されて予混合された混合気が圧縮上死点近傍で激しく燃焼する。そして、図９に示されるように、図８に示した例の場合すなわち、定常運転時の制御をそのまま実施した場合には、熱発生率の最大値が非常に高くなり燃焼騒音が増大するとともに、熱発生量（熱発生率の積分量）が多くなり、かつ、熱発生率の重心が進角して、適正なトルクよりも高いエンジントルクが生成される。
【００８０】
前記の問題を解決するべく、本エンジンシステム１００では、エンジン負荷が高く内部ＥＧＲ率が低く設定されているとともに混合気の空気過剰率が１以下に設定されている運転条件から、エンジン負荷が低く内部ＥＧＲ率が高く設定されているとともに混合気の空気過剰率が１以下に設定された運転条件へと移行する減速時には、減速先の運転条件に対応する本来の噴射量すなわち減速先の運転条件における定常運転時の噴射量（以下、単に定常時噴射量という場合がある）よりも少ない量の燃料を圧縮上死点よりも前で噴射する第１噴射と、この第１噴射の噴射量を定常時噴射量から引いた量すなわちこれらの差分以上の量の燃料を膨張行程の前半で噴射する第２噴射とを一時的に実施する。また、本実施形態では、内部ＥＧＲ率の増加を遅らせる、すなわち、内部ＥＧＲ率を減速先の運転条件に対応する本来の内部ＥＧＲ率すなわち減速先の運転条件における定常運転時の内部ＥＧＲ率（以下、単に定常時内部ＥＧＲ率という場合がある）よりも一時的に低くするとともに、この内部ＥＧＲ率の遅れ処理に合わせて第２噴射の噴射量を前記差分よりも多い量とする。さらに、本実施形態では、この燃料噴射制御および内部ＥＧＲ率の遅れ制御を、減速後複数サイクルにわたって実施する。このとき、第１噴射の噴射量は、定常時噴射量に向かって、減速直後からの経過サイクル数が増加するにしたがって増大させていき、第２噴射の噴射量は、０に向かって、減速直後からの経過サイクル数が増加するに従って減少させていく。また、経過サイクル数が増加するに従って、第２噴射の噴射開始タイミングは遅角させていく。なお、第１噴射の噴射開始タイミングは、定常運転時と同じタイミングとする。
【００８１】
本実施形態では、第１噴射の定常時噴射量に対する噴射量の低減量は、エンジン回転数、エンジン負荷、燃焼室の壁面温度および着火前温度等に基づいて、燃焼騒音が発生しない量であって、混合気の空燃比がリッチすなわち空気過剰率が１以下となるように設定される。なお、燃焼室の壁面温度および着火前温度は、エンジン冷却水温、吸気温度、排気温度等の温度と、エンジン回転数、エンジン負荷等から推定すればよい。
【００８２】
また、本実施形態では、内部ＥＧＲ率は、減速前の定常運転時の値から減速先の定常運転時の値に向かってサイクル毎に所定値ずつ増加させることで実現する。
【００８３】
以上の制御が実施された際の、噴射量、ＥＧＲ率、燃焼室１１の壁面温度（燃焼室壁面温度）、着火前温度の時間変化を図１０に示す。図１０は、図８に示した例と同じ減速条件での変化であり、図５に示すＳＩ領域の点Ｘ１から第３ＣＩ領域ＣＩ＿３の点Ｘ２への減速時に、前記制御を実施した際の変化である。図１０には、対応する図８の各変化を破線で示している。
【００８４】
図１０において、時刻ｔ１での減速に伴い、第１噴射と第２噴射とが実施される。この例では、減速先は圧縮自着火領域であり、定常時には吸気行程での一括噴射が実施される。そのため、第１噴射は、この定常運転時と同様に吸気行程で噴射される。また、内部ＥＧＲ率は、遅れ処理が実施されることで、時刻ｔ１では、ほぼ減速前の値（この例では０）とされ、定常時内部ＥＧＲ率よりも十分に低い値とされる。このとき、第１噴射の噴射量は、減速先の定常時噴射量よりも少なくされ、第２噴射量は、この減少量より多い量とされる。これに伴い、総噴射量は、定常運転時の総噴射量（定常時総噴射量）よりも多くなる。なお、本実施形態では、時刻ｔ１において、第１噴射の噴射量は、第２噴射の噴射量よりも少なくされる。
【００８５】
このように、内部ＥＧＲ率が定常時内部ＥＧＲ率よりも低い値とされる一方、総噴射量が増大されることに伴い、時刻ｔ１において、混合気の空気過剰率λは１に維持される。すなわち、内部ＥＧＲ率が低くされることで新気量は増大するが、総噴射量が増大されているため、混合気の空気過剰率λは１に維持される。
【００８６】
そして、前記のように、内部ＥＧＲ率の増加がほぼゼロに抑えられることで、時刻ｔ１において、着火前温度は減速前の温度とほぼ同じ程度に抑えられる。これに伴い、圧縮上死点付近において第１噴射により噴射された燃料は緩やかに燃焼し、燃焼温度は、減速前および減速先の定常運転時の温度とほぼ同じ温度であって燃焼騒音上限温度よりも低い温度に抑えられる。そして、燃焼騒音が許容範囲内に抑えられる。また、前述のように、燃焼室１１の壁面温度の追従遅れに伴い燃焼室壁面への熱損失は少なくなるが、吸気行程で噴射される第１噴射の噴射量が十分に少なくされていること、および、緩やかな燃焼が実現されることで、エンジントルクは十分に小さく抑えられ減速先の定常運転時のトルクにまで低下する。
【００８７】
図１１に、図１０に示した例における、時刻ｔ１（減速直後）での噴射パルスおよび熱発生率を示す。この図１１に示すように、減速直後において、熱発生は緩やかに生じている。
【００８８】
ここで、前述のように、時刻ｔ１において、吸気行程での第１噴射に加えて膨張行程で第２噴射が実施されているが、第２噴射により噴射された燃料は圧縮上死点よりも十分に遅角側のタイミングで燃焼する。そのため、燃焼温度の最大値は圧縮上死点付近で燃焼する第１噴射により生じた燃焼により決定され、この第１噴射の噴射量が小さく抑えられていることで燃焼騒音を左右する燃焼温度は低く抑えられる。また、第２噴射により噴射された燃料により生じる燃焼エネルギであって圧縮上死点よりも十分に遅角側のタイミングで生成された燃焼エネルギが有効なエンジントルクに変換される量は少ないため、前記のように、第１噴射の噴射量が少なくされることで、エンジントルクは小さく抑えられる。
【００８９】
時刻ｔ１後は、第１噴射の噴射量が噴射開始タイミング一定で徐々に増加され、第２噴射の噴射量が噴射終了タイミング一定で徐々に減少され、総噴射量が徐々に減少される。また、内部ＥＧＲ率が徐々に増加される。このように、総噴射量の減少と内部ＥＧＲ率の増加とが同時に行われるため、時刻ｔ１後においても混合気の空気過剰率λは１に維持される。また、内部ＥＧＲ率が徐々に増加され、第１噴射の噴射量が徐々に増加されるものの、時刻ｔ１後しばらくの間は、内部ＥＧＲ率は定常時内部ＥＧＲ率よりも小さい値とされ、第１噴射の噴射量は定常時噴射量よりも少ない量とされる。そのため、時刻ｔ１後においても、燃焼室１１の壁面温度が定常運転時の温度よりも高いにも関わらず、着火前温度、燃焼温度は、図８での値および燃焼騒音上限温度よりも低く抑えられ、燃焼騒音およびエンジントルクは適正な範囲とされる。また、前サイクルでの燃焼温度が低く抑えられることで、燃焼室１１の壁面温度の低下および内部ＥＧＲガスの温度の低下は促進され、これによっても、着火前温度および燃焼温度は低く抑えられる。
【００９０】
このようにして、燃焼騒音および過剰なエンジントルクの発生が回避されつつ運転条件が低負荷側に移行される。そして、時刻ｔ２において、燃焼室１１の壁面温度が定常運転時の温度とされるのとほぼ同時期に噴射パターンおよび噴射量は定常運転時のパターン（吸気行程での一括噴射）および定常時噴射量とされ、内部ＥＧＲ率は定常時内部ＥＧＲ率とされる。ここで、前記のように、本制御では、燃焼温度が低く抑えられることに伴い、燃焼室１１の壁面温度の低下が促進されるため、燃焼室１１の壁面温度は、図８に示した場合よりも早い時刻ｔ２にて、適正な定常時温度に低下させることができ、より早期に定常運転時の適正な制御に移行することができる。
【００９１】
また、前述のように、サイクル数の増加に伴って、第１噴射の噴射量が増大され、第２噴射の噴射量が減少され、内部ＥＧＲ率が増大されるため、噴射パターン等を定常運転時のパターン等に移行させるまでの間、トルク変動等が生じるのを抑制しつつスムーズに定常運転時の上体に移行させることができる。
【００９２】
以上のように、本実施形態に係るエンジンシステム１００では、混合気の空気過剰率λが１以下に設定された領域内での減速であって、内部ＥＧＲ率が低い運転条件から内部ＥＧＲ率が高い運転条件へ移行する減速時において、燃焼温度の過昇温を抑制して燃焼騒音の増大を抑制することができる。また、エンジントルクをより早期に減速先の値にまで低下させることができ、高い運転操作性を得ることができる。
【００９３】
ここで、前記実施形態では、第１噴射と第２噴射とを実施する制御および内部ＥＧＲ率を定常時内部ＥＧＲ率よりも低い値として内部ＥＧＲ率の増加を抑制する制御を複数サイクルにわたって実施した場合について説明したが、これらの制御を減速直後のみに実施してもよい。ただし、複数サイクルにわたって実施した方が、燃焼室１１の壁面温度の追従遅れが長い場合等において、より確実に燃焼騒音の増大を抑制することができる。
【００９４】
また、前記実施形態では、第１噴射と第２噴射とを実施する制御と、内部ＥＧＲ率の増加を抑制する制御とを同時に行った場合について説明したが、内部ＥＧＲ率の増加を抑制する制御を省略してもよい。この場合には、内部ＥＧＲ率の増加が抑制されることに伴う新気量の増大が回避されるため、第２噴射の噴射量は第１噴射の噴射量と定常時噴射量との差分と同等に設定されればよい。ただし、これら制御を同時に行った方が、より確実に燃焼騒音の増大を抑制することができる。
【００９５】
また、前記実施形態では、ＳＩ燃焼領域からの減速時について説明したが、減速前の運転条件はこれに限らない。また、減速先もＣＩ燃焼領域に限らない。ただし、ＣＩ燃焼領域では、燃焼室１１の壁面温度の上昇に伴って燃焼騒音が許容範囲を超えやすいため、ＣＩ燃焼領域への減速時に適用されれば、効果的に燃焼騒音の増大を抑制することができる。
【００９６】
また、前記例では、減速前後において混合気の空気過剰率λが１に設定されている場合について説明したが、減速前後において、あるいは、減速後において混合気の空気過剰率λは１未満に設定されていてもよい。この場合であっても、第２噴射量を増大させることで空気過剰率λを１未満にしつつ、エンジントルクおよび燃焼騒音を適正な範囲にすることができる。
【００９７】
また、前記減速時、すなわち、混合気の空気過剰率λが１以下に設定された領域内での減速であって、内部ＥＧＲ率が低い運転条件から内部ＥＧＲ率が高い運転条件へ移行する減速時において、吸気ＶＶＴ２３ｂにより、吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣを減速先の運転条件に対応する本来の時期すなわち減速先の運転条件の定常運転時の時期よりも、新気量が減少するように一時的に進角、あるいは遅角してもよい。
【００９８】
このように吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣを一時的に進角あるいは遅角させて新気量を減少させれば、混合気の空気過剰率λをより確実に１以下に抑えることができる。また、新気量が少なく抑えられれば、空気過剰率λを１以下に抑えつつ、燃焼室１１内への噴射量を少なくして燃費性能を高めることができる。例えば、第２噴射の噴射量を吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣを本来の時期に維持した場合よりも少なくできる。
【００９９】
さらに、このように混合気の空気過剰率λが１以下に設定された領域内での減速であって、内部ＥＧＲ率が低い運転条件から内部ＥＧＲ率が高い運転条件へ移行する減速時において、吸気ＶＶＴ２３ｂにより、吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣを減速先の運転条件の定常運転時の時期（以下、定常時時期という場合がある）よりも進角あるいは遅角させて新気量を減少させる場合には、第２噴射を停止させてもよい。
【０１００】
例えば、図１２に示すように、減速時において、吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣを一時的に定常時時期よりも進角させ、第１噴射の噴射量を定常時噴射量よりも少なくし、かつ、内部ＥＧＲ率の遅れ処理する一方、第２噴射を停止させてもよい。このようにしても、第１噴射の噴射量が少なくされることおよび内部ＥＧＲ率の遅れ処理によって、前記実施形態と同様に、燃焼騒音の増大を抑制することができる。そして、吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣの進角に伴う新気量の減少により、混合気の空気過剰率λを１以下に抑えることができる。
【０１０１】
また、図１２のように、時刻ｔ１（減速直後）において、吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣを定常時時期よりも進角側にするとともに、時刻ｔ１後しばらくの間、定常時時期に向かって徐々に遅角させていけば、定常時時期への以降までの間トルクショック等が生じるのを回避することができるとともに、より円滑に定常時時期に移行することができる。
【０１０２】
なお、図１２において、吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣを定常時時期よりも遅角させることで新気量を減少させるようにしてもよい。
【０１０３】
また、時刻ｔ１（減速直後）においてのみ、吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣの進角あるいは遅角制御を実施してもよい。
【０１０４】
また、吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣの進角制御と内部ＥＧＲ率の遅れ処理とを併用せず、吸気弁２１の閉弁時期ＩＶＣの進角あるいは遅角と噴射量の減量制御とのみを実施してもよい。
【０１０５】
１  エンジン（エンジン本体）
１０  気筒
１１  燃焼室
１５  インジェクタ（燃料噴射装置）
２３  排気弁駆動機構（内部ＥＧＲ手段）
６０  ＰＣＭ（燃焼制御手段）
【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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