(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置と、
燃焼室内に形成された燃料と空気の混合気に点火する点火装置とが設けられた内燃機関を制御する内燃機関の制御装置において、
燃焼室の圧縮比に対して負の相関となるように目標吸気温度が設定され、
前記内燃機関の吸気側空気温度が前記燃焼室の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、点火装置の点火時期を“吸気側空気温度が前記燃焼室の圧縮比における目標吸気温度以上の場合に設定される点火時期”に比べ、遅角化するように前記点火装置を制御する点火時期制御部を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置と、
燃焼室内に形成された燃料と空気の混合気に点火する点火装置とが設けられた内燃機関を制御する内燃機関の制御装置において、
燃焼室の圧縮比に対して負の相関となるように目標吸気温度が設定され、
前記内燃機関の吸気側の空気温度が前記燃焼室の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、点火装置の点火の前に燃料噴射装置により噴射される最後の噴射時期を“吸気側空気温度が前記燃焼室の圧縮比における目標吸気温度以上の場合に設定される噴射時期”に比べて遅角化するように前記燃料噴射装置を制御する噴射時期制御部を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の吸気側空気温度が前記燃焼室の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、点火装置の点火時期を“吸気側空気温度が前記燃焼室の圧縮比における目標吸気温度以上の場合に設定される点火時期”に比べ、遅角化するように前記点火装置を制御する点火時期制御部を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項４】
請求項１、３の何れかに記載の内燃機関の制御装置において、
前記吸気側空気温度が前記燃焼室の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、前記点火時期制御部は、点火時期を、前記目標吸気温度と前記吸気側空気温度の差が大きい程、遅角化する量を大きくすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項５】
請求項２、３の何れかに記載の内燃機関の制御装置において、
前記吸気側空気温度が前記燃焼室の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、前記噴射時期制御部は、噴射時期を、前記目標吸気温度と前記吸気側空気温度の差が大きい程、遅角化する量を大きくすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項６】
請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関には圧縮比を変える可変圧縮比装置が設けられ、
前記吸気側空気温度が前記燃焼室の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、燃焼室の圧縮比を大きくするように前記可変圧縮比装置を制御する圧縮比制御部を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの制御装置について特に、エンジンの燃費を低減するために用いられる希薄燃焼を実施するエンジンの制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン自動車では、通常、内燃機関では燃料と空気の比率が量論混合比近傍で燃焼させて動力を取り出す。これは、エンジンの排気側に取り付けてある三元触媒による未燃炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）の浄化率を同時に高くすることができる条件が量論混合比近傍だからである。これに対し、量論混合比に比べ空気の比率を大きくした条件（空気過剰条件、リーン条件）で燃料と空気を燃焼させる、所謂、希薄燃焼（リーンバーン）がある。希薄燃焼は、エンジンの吸気損失（ポンピング損失）や冷却損失などを低減することができるため、自動車の低燃費技術として長年開発が続けられている。リーン条件で燃焼を実施する課題の一つは、排気ガス中に酸素が残留するため三元触媒にてＮＯｘが浄化されないことである。このため、燃焼時に生成するＮＯｘを削減する必要があり、一つの方法が空気の比率を大きくする（空気過剰率を大きくする）ことである。
【０００３】
ＮＯｘ排出量を抑制したリーン燃焼を実現させるための公知例として、特許文献１がある。この公知例は、温度に対して層流燃焼速度の急峻が発生する温度を変曲点温度と定義し、均質リーン燃焼を実施する際にはこの変曲点温度よりも圧縮上死点での筒内温度を高くするようにエンジンを制御する内燃機関の制御装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−６２４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術は、圧縮上死点における温度が変曲点温度よりも高くなるように制御する技術である。ただし、筒内の温度は、エンジンの動作条件やアクチュエータの動作状況によって様々な範囲をとりうる。また、アクチュエータの動作中は、筒内の温度が目標温度に達することができず、燃焼を実現することが難しいことが課題であった。
【０００６】
そこで、本発明は、様々な環境条件において、所望のリーン燃焼を実現できる内燃機関の制御装置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】
上記の課題を解決するために本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置と燃焼室内に形成された燃料と空気の混合気に点火する点火装置とが設けられた内燃機関を制御する内燃機関の制御装置において、燃焼室の圧縮比に応じて前記内燃機関の吸気側の空気温度を制御する温度制御部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、本発明は、様々な環境条件において、所望のリーン燃焼を実現できる内燃機関の制御装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態によるエンジンの制御装置のシステム構成図。
【図２】本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の構成を示すシステムブロック図。
【図３】本発明の実施例によるエンジンの構成を示す構成図。
【図４】本発明の実施例による加熱部分の別構成を示す構成図。
【図５】本発明の実施例によるエンジンの制御装置の吸気温度に応じた点火時期、噴射時期及び圧縮比の制御内容を示すフローチャート。
【図６】本発明の実施例によるエンジンの制御装置の吸気温度に応じた点火時期の遅角化制御の制御内容を示すフローチャート。
【図７】本発明の実施例によるエンジンの制御装置の吸気温度に応じた噴射時期の遅角化制御の制御内容を示すフローチャート。
【図８】本発明の実施例によるエンジンの制御装置の吸気温度に応じた圧縮比の制御内容を示すフローチャート。
【図９】本発明の実施例による噴射時期及び点火時期のマップ値を説明する概念図。
【図１０】本発明の実施例による圧縮比に基づく目標吸気温度の決定方法を示す概念図。
【図１１】本発明の実施例による吸気温度に基づく目標圧縮比の決定方法を示す概念図。
【図１２】本発明の実施例おける吸気温度に基づく点火時期、噴射時期の制御時の各種動作の変化を示す概念図。
【図１３】本発明の実施例おける吸気温度に基づく点火時期、噴射時期及び圧縮比の制御時の各種動作の変化を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、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。まず、以下に示す実施形態に共通の構成を図１、図２を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の実施例１によるエンジン制御装置（ＥＣＵ２０）の構成を示すシステムブロック図である。エアフローセンサ１、吸気温度センサ３、アクセル開度センサ１２、クランク角センサ１９の出力信号は、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａに入力する。但し、入力信号はこれらだけに限られない。入力された各センサの入力信号は入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送られる。入力ポート２０ｂに送られた値は、ＲＡＭ２０ｃに保管され、ＣＰＵ２０ｅで演算処理される。演算処理内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ２０ｄに予め書き込まれている。
【００１２】
制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、入出力ポート２０ｂ内の出力ポートに送られ、各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。本実施例のＥＣＵ２０は、駆動回路として、吸気温度制御装置７の熱交換量を制御する吸気温度制御部２０ｆを備える。また本実施例のＥＣＵ２０は、駆動回路として、可変圧縮比機構（可変圧縮比装置１８、可変バルブ５）、点火コイル１６、燃料噴射装置１３の動作量や時期を制御するアクチュエータ制御部２０ｇを備える。アクチュエータ制御部２０ｇは可変圧縮比機構（可変圧縮比装置１８、可変バルブ５）の駆動量制御により圧縮比、また点火コイル１６の点火時期、また燃料噴射装置１３の噴射タイミングや噴射パルス幅を制御する。点火コイル１６は火花点火内燃機関の点火プラグで放電するための高電圧を作り出す変圧器であり、燃料噴射装置１３は火花点火内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタである。本実施例においては、ＥＣＵ２０内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをＥＣＵ２０内に備えるものであってもよい。
【００１３】
ＥＣＵ２０のアクチュエータ制御部２０ｇは、点火コイル１６、燃料噴射装置１３及び可変圧縮比装置１８、可変バルブ５のいずれか又は全てを制御する際に、吸気温度を検出し、この検出した吸気温度に基づき決定した適切なタイミングで、燃料噴射装置１３、点火コイル１６の両者へ入力電力を通電し、条件に応じて可変圧縮比装置１８、可変バルブ５へ入力電流を通電する。
【００１４】
図２は、本実施例によるエンジンの制御装置のＥＣＵ２０のＣＰＵ２０ｅ内で実施される点火時期、燃料噴射時期及び圧縮比の制御ロジックの概要を示す図であり、要求トルク算出ブロックＢ２０１、アクチュエータ制御ブロックＢ２０２、で構成される。ＥＣＵ２０のＣＰＵ２０ｅは、これらの制御ロジックを実行し、各種アクチュエータの制御量を決定する。要求トルク算出ブロックＢ２０１は、アクセル開度センサ１２の出力に基づき要求トルク及び要求空気量を算出する。アクチュエータ制御ブロックＢ２０２は、吸気温度センサ３の出力に基づき算出した吸気管におけるガスの温度、クランク角センサ１９の出力に基づき算出したエンジン回転数に基づき、点火コイル１６の点火時期、燃料噴射装置１３の噴射時期、また可変圧縮比機構（可変圧縮比装置１８、可変バルブ５）圧縮比を制御するアクセル開度センサ１２の出力は要求トルク算出ブロックＢ２０１、吸気温度センサ３の出力はアクチュエータ制御ブロックＢ２０２に入力され、点火コイル１６、燃料噴射装置１３及び可変圧縮比装置１８、可変バルブ５の制御信号が出力され、アクチュエータ制御部２０ｇに入力される。これらの制御信号を受け、アクチュエータ制御部２０ｇは駆動電流、又は駆動電圧を点火コイル１６、燃料噴射装置１３、又は可変圧縮比機構（可変圧縮比装置１８、可変バルブ５）などの各アクチュエータに出力することで、これらのアクチュエータの制御が実施される。
【００１５】
一般に、空気過剰率を大きくすることでＮＯｘ排出量を小さくできる。しかし、空気過剰率の増加に比例して、燃焼速度が低下するため、通常、エンジン内部に形成された空気と燃料の混合気の空気過剰率が１．５から１．７程度でエンジン動作が困難であった。このときの空気過剰率をリーン限界という。これは、通常の環境では、空気過剰率が１．５から１．７程度まで大きくなると、層流燃焼速度が０に近づくためである。これまでの検討から、吸気温度を確保し、点火時期における温度がある水準を保つと、空気過剰率が２以上になっても、層流燃焼速度が低下せず、エンジンの動作に必要となる燃焼速度が確保でき、リーン限界を空気過剰率２．０まで伸ばせ、ＮＯｘ低減と燃費低減が両立できるリーン燃焼を実現できる可能性があることが分かった。
【００１６】
図３は、吸気温度制御部７を備える自動車用筒内噴射式ガソリンエンジン構成図である。エンジン１００は、火花点火式燃焼を実施する自動車用のガソリンエンジンである。吸入空気量及びタービン上流側の吸気温度を計測するエアフローセンサ１と、エンジン吸気バルブ近傍の吸気マニホールド６に設けた吸気温度センサ３と、吸気を過給するための過給機のコンプレッサ４ａと、吸気の温度を制御するための吸気温度制御装置７と、吸気管圧力を調整する電子制御スロットル２が吸気管の各々の適宜位置に備えられている。また、エンジン１００には、各気筒のシリンダ１４の中に燃料を噴射する燃料噴射装置（以下、インジェクタ）１３と、燃焼室２１の内部に形成された燃料と空気の混合気に点火する点火エネルギを供給する点火装置（以下、点火コイル１６、点火プラグ１７）が気筒ごとに備えられている。また、筒内に流入、または筒内から排出するガスを調整する可変バルブ５が、シリンダヘッドに備えられている。可変バルブ５を調整することにより、全気筒の吸気量および内部ＥＧＲ量を調整する。また、図示していないが燃料噴射装置１３に高圧燃料を供給するための高圧燃料ポンプが燃料配管によって燃料噴射装置１３と接続されており、燃料配管中には、燃料噴射圧力を計測するための燃料圧力センサが備えられている。
【００１７】
また、エンジン１００には、ピストンの基準位置を制御する可変圧縮比装置１８が備えられており、エンジンのピストン位置を検知するためのクランク角度センサ１９が取り付けられている。クランク角度センサ１９の出力値は、ＥＣＵ２０に送られる。ここで、可変圧縮比装置１８及び可変バルブ５はその動作により圧縮比を制御できることから、以下では可変圧縮比機構とも称する。
【００１８】
さらに、排気エネルギによって過給機のコンプレッサ４ａに回転力を与えるためのタービン４ｂと、タービンに流れる排気流量を調整するための電子制御ウェイストゲート弁１１と、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、が排気管１５の各々の適宜位置に備えられる。また、図示していないがエンジンを巡る冷却水の温度を計測する温度センサ４５が備えられている。
【００１９】
エアフローセンサ１と吸気温度センサ３と空燃比センサ９から得られる信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ２０）に送られる。また、アクセル開度センサ１２から得られる信号がＥＣＵ２０に送られる。アクセル開度センサ１２は、アクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１２の出力信号に基づいて、要求トルクを演算する。すなわち、アクセル開度センサ１２は、エンジンへの要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサの出力信号に基づいて、エンジンの回転速度を演算する。ＥＣＵ２０のＣＰＵ２０ｅで実行されるアクチュエータ制御ブロックＢ２０２は、上記各種センサの出力から得られるエンジンの運転状態に基づき、空気流量、燃料噴射量、点火時期、燃料圧力、吸気温度制御装置等のエンジンの主要な作動量を最適に演算する。
【００２０】
ＥＣＵ２０のＣＰＵ２０ｅで実行されるアクチュエータ制御ブロックＢ２０２で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、インジェクタ１３に送られる。また、ＥＣＵ２０のＣＰＵ２０ｅで実行されるアクチュエータ制御ブロックＢ２０２で演算された点火時期で点火されるように、点火信号が点火プラグ１６に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された吸気温度制御装置７の備えるアクチュエータの動作信号として、吸気温度制御装置７に送られる。
【００２１】
吸気管から吸気バルブを経てシリンダ１４内に流入した空気に対し、燃料が噴射され、混合気を形成する。混合気は所定の点火時期で点火プラグ１６から発生される火花により爆発し、その燃焼圧によりピストンを押し下げてエンジンの駆動力となる。更に、爆発後の排気ガスは排気管１５を経て、三元触媒１０に送りこまれ、排気成分は三元触媒１０内で浄化され、外部へと排出される。
【００２２】
図３に示した吸気温度制御装置７の具体的な構成を説明する。吸気温度制御装置７の構成としては、エンジンを循環する冷却水との熱交換を行う構成（インタークーラ）がある。インタークーラを流れる冷却水の量を制御することで、吸気温度制御装置７を通過するガスと冷却水との熱交換量を制御し、吸気を流れるガスの温度を制御する。冷却水の温度が、吸気温度制御装置７の入り口におけるガス温度より低い場合には、ＥＣＵ２０の吸気温度制御部２０ｆは、吸気温度制御装置７の備える冷却水流量を制御するバルブ（図示しない）の開度を変更することで、吸気ガスと冷却水の熱交換量を増やし、吸気ガスの温度を下げる方向に制御する。温度の下げる量を増やす場合にＥＣＵ２０の吸気温度制御部２０ｆは、吸気温度制御装置７を流れる冷却水流量を制御するバルブの開度を大きくする。冷却水の温度が、吸気温度制御装置７の入り口におけるガス温度より高い場合にＥＣＵ２０の吸気温度制御部２０ｆは、吸気温度制御装置７の備える冷却水流量を制御するバルブ（図示しない）の開度を変更することで、吸気ガスと冷却水の熱交換量を増やし、吸気ガスの温度を上げる方向に制御する。温度の上げる量を増やす場合にＥＣＵ２０の吸気温度制御部２０ｆは、吸気温度制御装置７を流れる冷却水量を制御するバルブの開度を大きくする。
【００２３】
以上により、吸気ガスの温度を制御する。吸気温度制御装置７の他の構成として、電気エネルギを熱エネルギに変換するヒータを用いて吸気ガス温度を制御する構成がある。ヒータを用いる場合、ヒータに通電する電力量を調整する装置（図示しない）を用いて、ヒータにおける発熱量を制御し、吸気を流れるガスの温度を制御する。ガス温度の上昇量を増やす場合は、吸気温度制御装置７に通電する電力を増加させる。さらに異なる構成を図４に示す。
【００２４】
図４は、吸気温度制御装置７が、吸入空気と排気ガスとの熱交換を行う構成である。吸気温度制御装置７を流れる排気ガス流量を制御することで、吸気温度制御装置７を通過するガスと冷却水と熱交換量を制御し、吸気管を流れるガスの温度を制御する。吸気温度制御装置７を流れる排気ガス流量の制御には、吸気加熱装置７と排気管１５を接続する管に設けられた流量調整バルブ５０を用いる。吸気ガスの温度を上げる量を増やす場合にＥＣＵ２０の吸気温度制御部２０ｆは、流量調整バルブ５０の開度を増やすことで、吸気温度制御装置７を流れる排気ガス流量を増加させ、吸気ガスとの熱交換量を増加させる。このような吸気温度制御装置７を備えることで、希薄限界で燃焼させるために必要となる吸気温度を実現することができる。この結果、希薄限界をＮＯｘの排出量が抑制できる条件まで拡大し、低ＮＯｘと低燃費を両立する希薄燃焼が実現できる。
【００２５】
図５には、本実施例のＥＣＵ２０で実施する演算処理が記載されている。まず、ステップＳ５０１にて、点火時期のマップ値を取得する。点火時期のマップ値とは図９に示すようなエンジン出力とエンジン回転数又はこれらに関連する指標の関数として、マップ上に設定している点火時期の値をさす。マップ値は、予めエンジン試験や数値シミュレーションを通じて定義し、ＥＣＵ２０にデータとして格納する。要求トルク算出部で計算された要求トルク及びクランク角度センサ１９に基づいて、動作点を特定し、マップ値を検索する。続いて、ステップＳ５０２にて、検出圧縮比における目標吸気温度を計算する。圧縮比の検出は、可変圧縮比装置１８、可変動弁５及び点火時期のマップ値から検出する。
【００２６】
可変圧縮比装置１８が、ピストン上死点位置の変更により圧縮比を制御する構成の場合、次のように検出できる。可変圧縮比装置１８によりピストン上死点位置が最も高く設定されている状態を基準（添え字で０と表現する）とする。可変圧縮比装置１８により機械圧縮比がε１に設定されているとする。このとき、ピストン上死点位置における燃焼室容積Ｖｃ１は、基準状態における圧縮上死点における燃焼室容積をＶｃ０とすると、
Ｖｃ１＝κＶｃ０
κ＝（ε０−１）／（ε１−１）
となる。さらに、吸気弁閉じ時期（ＩＶＣ：Ｉｎｔａｋｅ  Ｖａｌｖｅ  Ｃｌｏｓｅ）から点火時期マップ値までの排出体積Ｖｓｔ、点火時期マップ値から圧縮上死点までの排出体積Ｖｒｅｓ、点火時期とすると、実圧縮比は次のように評価できる
ε１、Ｒ＝（Ｖｃ１＋Ｖｓｔ＋Ｖｒｅｓ）／（Ｖｃ１＋Ｖｒｅｓ）
各排出体積は、例えば、圧縮上死点における体積とクランク角毎の体積の差分をクランク角の関数としてマップ（Ｖｒ、ｍａｐ（Θ））として、ＥＣＵ２０に格納しておき、これを用いることで計算ができる。例えば、吸気弁閉じ時期をΘＩＶＣ、点火時期マップ値をΘＡＤＶ、ｍａｐ、圧縮上死点におけるクランク角をΘＴＤＣとすると、
Ｖｓｔ＝Ｖｒ、ｍａｐ（ΘＩＶＣ）−Ｖｒ、ｍａｐ（ΘＡＤＶ、ｍａｐ）
Ｖｒｅｓ＝Ｖｒ、ｍａｐ（ΘＴＤＣ）−Ｖｒ、ｍａｐ（ΘＡＤＶ、ｍａｐ）
と計算できる。
または、Ｖｒをクランク角Θ（ｒａｄ）の関数として、ｒをストローク半径、ｌをコネクティングロッド（クランクアームとピストンを繋ぐアーム）の長さ、ボア直径をＤとすると、以下の関数で与えることができる
Ｖｒ（Θ）＝０．２５πＤ２（ｒｃｏｓΘ＋（ｌ２−（ｒｓｉｎΘ）２）０．５）
以上の式を用いた場合においても、体積の差分のマップを用いた場合と同様に排出体積は計算可能である。
【００２７】
図１０に示す圧縮比と目標吸気温度が負の相関を持つ関係特性と検出圧縮比ε１、Ｒに基づき、目標吸気温度Ｔｔａｒを計算する。ここで、図１０に示す圧縮比と目標吸気温度が負の相関を持つ関係特性は、予めエンジン試験や数値シミュレーションを通じて設定され、ＥＣＵ２０にデータとして格納する。図１０に示すような圧縮比と目標吸気温度が負の相関を持つ関係特性を用いることで、圧縮比に応じて適切な吸気温度設定を選択する。このように本実施例では圧縮比に応じて目標吸気温度が設定され、ＥＣＵ２０の吸気温度制御部２０ｆは、吸気側の空気温度が目標吸気温度となるように制御する。        
すなわち、本実施例のＥＣＵ２０の吸気温度制御部２０ｆは燃焼室２１の圧縮比に応じて内燃機関の吸気側の空気温度を制御する温度制御部として作用する。つまり、吸気温度制御装置７が、図３に示したインタークーラの場合、吸気温度制御部２０ｆは燃焼室２１の圧縮比に応じてインタークーラを流れる冷却水の量を制御することで内燃機関の吸気側の空気温度を制御する。また吸気温度制御装置７が、図４に示す排気ガスとの熱交換を行う構成の場合、吸気温度制御部２０ｆは燃焼室２１の圧縮比に応じて吸気温度制御装置７を流れる排気ガス流量を制御することで内燃機関の吸気側の空気温度を制御する。
【００２８】
これにより、過剰な吸気温度上昇を防ぐことができ、適切な吸気温度を設定することができる。この結果、圧縮後の温度で大きく変わる冷却損失の低減、異常燃焼を低減しつつ、最適なリーン燃焼を実現でき、希薄限界近傍で安定的な燃焼を実現できる。また、本実施例に示す以外の外的な要因により、点火時期と噴射時期が決定され、変更ができない場合、ステップＳ５０２においては、図１０に示す圧縮比と目標吸気温度が負の相関を持つ関係特性と検出圧縮比ε１、Ｒに基づき決めた目標吸気温度Ｔｔａｒを噴射時期、点火時期に応じて修正することができる。例えば、外部の要因で決定される噴射時期をΘｉｎｊ、ｅとし、点火時期ΘＡＤＶ、ｅとしたときに、以下の式で決めることが出来るＴｅ、ｉｎｊとＴｅ、ＡＤＶの小さい値から決定できる。
Ｔｅ、ｉｎｊ＝Ｔｔａｒ＋Ａ（Ｔ０−Ｔｔａｒ）
Ａ＝（Θｉｎｊ、ｅ−Θｉｎｊ、ｍａｐ）／（Θｉｎｊ、ｅ−Θｉｎｊ、ｍａｐ）
Ｔｅ、ＡＤＶ＝Ｂ（γ−１）Ｔｔａｒ
Ｂ＝（Ｖｃ１＋Ｖｒ（ΘＡＤＶ、ｅ））／（Ｖｃ１＋Ｖｒ（ΘＡＤＶ、ｍａｐ））
【００２９】
本実施例のＥＣＵ２０の吸気温度制御部２０ｆは燃焼室２１の噴射時期、点火時期に応じて内燃機関の吸気側の空気温度を制御する温度制御部として作用する。すなわち、吸気温度制御装置７が、図３に示したインタークーラの場合、吸気温度制御部２０ｆは燃焼室２１の圧縮比に応じてインタークーラを流れる冷却水の量を制御することで内燃機関の吸気側の空気温度を制御する。また吸気温度制御装置７が、図４に示す排気ガスとの熱交換を行う構成の場合、 吸気温度制御部２０ｆは燃焼室２１の圧縮比に応じて吸気温度制御装置７を流れる排気ガス流量を制御することで内燃機関の吸気側の空気温度を制御する。
【００３０】
これにより、噴射時期、点火時期及び圧縮比の目標値が変更できない場合においても、目標吸気温度を適切に制御することが可能になり、噴射時期及び点火時期の設定範囲が制限された状況においても、安定燃焼が実現できる。
【００３１】
次に、ステップＳ５０３に進み、吸気温度センサ３で検出した吸気温度と目標吸気温度を比較する。吸気温度センサ３で検出した吸気温度が高い場合は、ステップＳ５０４に進み、点火時期をマップ値に設定し、続いて、ステップＳ５０５に進み、噴射時期をマップ値に設定する。噴射時期のマップ値も、点火時期と同様に図９示すようなエンジン出力とエンジン回転数又はこれらに関連する指標の関数として、マップ上に設定している噴射時期の値をさす。噴射時期のマップ値は、予めエンジン試験や数値シミュレーションを通じて定義し、ＥＣＵ２０にデータとして格納する。ステップＳ５０３における処理で吸気温度が目標吸気温度に比べて小さい場合は、ステップＳ５０６に進む。ステップＳ５０６では、吸気温度と目標吸気温度に応じてマップ値から遅角化する点火時期の設定処理を行う。次にステップＳ５０７に進み、吸気温度と目標吸気温度に応じてマップ値から遅角化する噴射時期の設定処理を行う。続いて、ステップＳ５０８にて、吸気温度と目標吸気温度に応じて高圧縮比化の設定処理を行う。以上の処理を通じて、吸気温度と目標吸気温度の差分に応じた点火時期、噴射時期及び圧縮比の設定及びアクチュエータの動作目標値が設定される。
【００３２】
図６には、図５におけるステップＳ５０６で実施する演算処理が記載されている。まずステップＳ６０１にて修正点火時期を計算する。修正点火時期は次のように計算する。目標吸気温度がＴｔａｒの場合と同等の温度を得ることができる圧縮体積をＶｉとする。
Ｖｉ＝Ｖｒ（ΘＡＤＶ、ｍａｐ）（Ｔｔａｒ／Ｔｉｎ）（１／（γ―１））
γは比熱比であり、概ね１．３３〜１．４の間で設定する。圧縮体積を実現するクランク角度は、
Ｖｉ＝Ｖｃ１＋Ｖｒ（Θ）
の等式を解く、または、
Ｖｉ＝Ｖｃ１＋Ｖｒ、ｍａｐ（Θ）
を満たす又は右辺と左辺の差が最小となるＶｒ、ｍａｐ（Θ）を探索する。、探索した結果得られた圧縮体積Ｖｉを満たすクランク角度Θを、修正点火時期ΘＡＤＶ、ｍｏｄとする。ただし、限界角度（ΘＡＤＶ、ｌｉｍｉｔ）においてもＶｉを実現できない場合は、修正点火時期を限界角度とする。限界角度は、実験やシミュレーションによりあらかじめ設定される値であり、ピストン上死点の近傍に設定する。次にステップＳ６０２に進み、修正点火時期が限界時期よりも小さいか（進角側にあるか）を判定する。限界時期は、点火時期の最大遅角時の設定であり、これも、点火時期等と同様に図９に示すようなエンジン出力とエンジン回転数又はこれらに関連する指標の関数として、ＥＣＵ２０に格納する。限界時期は上死点よりも前に設定する。なおマップ値は、修正点火時期が限界時期よりも進角側に有る場合は、ステップＳ６０３に進み、修正点火時期を点火時期に設定する。さらにステップＳ６０４に進み、設定した点火時期が限界時期にあるかを示す、限界時期フラグをＯＦＦに設定する。ステップＳ６０２で限界時期よりも修正点火時期が大きい（遅角側にある）と判定した場合は、ステップＳ６０５に進み、限界時期を点火時期に設定する。続いて、ステップＳ６０６に進み、限界時期フラグをＯＮに設定する。
【００３３】
このように点火時期を設定することで、吸気温度が目標吸気温度よりも低い場合に、点火時期を遅角側に設定することができる。遅角側に点火時期を設定することで、点火時期マップ値で点火した場合に比べて、点火時期の温度を上昇させることができる。
【００３４】
すなわち、本実施例のＥＣＵ２０は、燃焼室２１の圧縮比に対して負の相関となるように目標吸気温度が設定され、内燃機関の吸気側空気温度が燃焼室２１の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、点火装置の点火時期を“吸気側空気温度が燃焼室２１の圧縮比における目標吸気温度以上の場合に設定される点火時期”に比べ、遅角化するように点火装置を制御する点火時期制御部（アクチュエータ制御部２０ｇ）を備えた。
【００３５】
このようにすれば、圧縮後の温度が、圧縮比に依らず同等の温度に達するように制御でき、過剰に過熱することで増加する冷却損失を増加させること無く、圧縮比に依らず同様の燃焼状態を得ることができる。また、吸気温度が低い場合に点火時期における温度を確保でき、希薄限界近傍の条件で安定に燃焼させることができる。この結果、点火マップ値で点火した場合に燃焼ができない希薄混合気状態であっても、点火時期の遅角化によりより温度が高い条件で燃焼を開始することで、安定燃焼に近づけることができるようになる。
【００３６】
さらに、上記の通り、同等の温度を得ることができる圧縮体積をＶｉに基づき、点火時期を設定することで、吸気温度と目標吸気温度の差に応じて、点火時期の遅角量を設定することができる。この結果、目標吸気温度から吸気温度がより低い条件で、点火時期をより大きく遅らせることができる。
【００３７】
すなわち、本実施例のＥＣＵ２０は、点火時期制御部（アクチュエータ制御部２０ｇ）は、内燃機関の吸気側空気温度が燃焼室２１の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、点火装置の点火時期を“吸気側空気温度が燃焼室２１の圧縮比における目標吸気温度と吸気側空気温度の差が大きいほど、遅角化する量を大きくするように点火装置を制御する点火時期制御部を備えた。
【００３８】
この結果、点火マップ値で点火した場合に燃焼ができない希薄混合気状態であっても、吸気温度の状態に応じて点火時期の遅角量を決めることができるため、より広い吸気温度条件で安定燃焼を実現できるようになる。
【００３９】
図７には、図５におけるステップＳ５０７で実施する演算処理が記載されている。まず、ステップＳ７０１にて噴射時期のマップ値を、図９に示すようなエンジン出力とエンジン回転数又はこれらに関連する指標の関数として、ＥＣＵ２０に格納されたマップから取得する。次に、ステップＳ７０２に進み、点火時期が限界時期に設定されているかを示す限界時期フラグがＯＮになっているか否かを判定する。ステップＳ７０２で、限界時期フラグがＯＦＦである場合、ステップＳ７０３に進み、噴射時期マップ値と点火時期マップ値から、標準の状態における点火時期と噴射時期（Θｉｎｊ、ｍａｐ）の間隔（ΔＤｉｆｆ、ｍａｐ＞０）を、以下の関係から計算する。
ΔＤｉｆｆ、ｍａｐ＝ΘＡＤＶ、ｍａｐ―Θｉｎｊ、ｍａｐ
【００４０】
続いて、ステップＳ７０４に進み、以下の関係から噴射時期（Θｉｎｊ）を設定する。
Θｉｎｊ＝ΘＡＤＶ、ｍｏｄ―ΔＤｉｆｆ、ｍａｐ
ステップＳ７０２にて点火時期が限界時期に設定されていると判定した場合は、ステップＳ７０５に進み、目標吸気温度と吸気温度の差に基づき、噴射時期と点火時期の間隔を設定する。例えば、噴射時期と点火時期の間隔ΔＤｉｆｆ、ｍｏｄは、噴射時期と点火時期の間隔の最小値ΔＤｉｆｆ、ｍｉｎ、目標吸気温度をＴｔａｒ、吸気温度をＴｉｎ、参照温度Ｔ０、Ａ、Ｂを係数として、以下の関係で求めることができる。
ΔＤｉｆｆ，ｍｏｄ＝ΔＤｉｆｆ、ｍｉｎ＋Ｃ（ＤＴｉｎ−Ｔ０）
参照温度Ｔ０は例えば、標準大気温度（２９８．１５Ｋ）とできる。Ｃ及びＤは、事前のエンジン試験やシミュレーションに基づき定義し、ＥＣＵ２０に格納する。または、限界角度をΘＡＤＶ、ｌｉｍｉｔとし、
Ｃ＝（ΔＤｉｆｆ、ｍａｐ−ΔＤｉｆｆ、ｍｉｎ）／（Ｔｔａｒ−Ｔ０）
Ｄ＝（Ｖｃ１＋Ｖｒ（ΘＡＤＶ、ｍａｐ））（γ‐１）
／（Ｖｃ１＋Ｖｒ（ΘＡＤＶ、ｌｉｍｉｔ））（γ‐１）
と与えることができる。続いて、ステップＳ７０６に進み、ステップＳ７０５で定めたΔＤｉｆｆ、ｍｏｄを用いて噴射時期を以下の通り、設定する。
Θｉｎｊ＝ＡＤＶｍｏｄ―ΔＤｉｆｆ、ｍｏｄ
以上をもって、吸気温度及び点火時期に応じた噴射時期の設定が可能になる。
【００４１】
通常、噴射時期と点火時期の間隔の増加に伴い、点火時期における点火プラグ周囲の混合気の空気過剰率は大きくなる傾向がある。つまり、点火時期のみを遅角化すると温度は上昇するが、同時に点火プラグ周囲の混合気の空気過剰率が増加するため、燃料濃度の観点では、燃焼しにくい状態になる。
【００４２】
このように噴射時期を設定することで、吸気温度が目標吸気温度よりも低い場合に、噴射時期を遅角側に設定することができる。この結果、噴射マップ値を用いた場合に比べて、点火時期における点火プラグ１７周りに形成される燃料空気の混合気濃度を高くすることができる。つまり、吸気温度が低い場合に点火時期における点火プラグ周りに形成される混合気の燃料濃度を希薄限界よりも高めに設定することができ、希薄限界近傍で安定に燃焼させることができる。
【００４３】
すなわち、本実施例のＥＣＵ２０の噴射時期制御部（アクチュエータ制御部２０ｇ）は、内燃機関の吸気側の空気温度が燃焼室２１の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、点火装置の点火の前に燃料噴射装置１３により噴射される最後の噴射時期を“吸気側空気温度が燃焼室２１の圧縮比における目標吸気温度以上の場合に設定される噴射時期”に比べて遅角化するように燃料噴射装置１３を制御する。
【００４４】
この結果、噴射制御の変更により混合気分布を制御し、希薄限界よりも高めの混合気をプラグ周りに分布させることで、噴射マップ値を用いた際に生じる吸気温度が目標吸気温度よりも低いことを要因とする不安定化を防ぐことができる。
【００４５】
さらに、上記の通り、吸気温度と目標吸気温度の差に応じて、噴射時期の遅角量を設定することができる。この結果、目標吸気温度から吸気温度がより低い条件で、噴射時期をより大きく遅らせることができる。
【００４６】
すなわち本実施例のＥＣＵ２０の噴射時期制御部（アクチュエータ制御部２０ｇ）は、吸気側空気温度が燃焼室２１の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、噴射時期を、目標吸気温度と吸気側空気温度の差が大きい程、遅角化する量を大きくするように燃料噴射装置を制御する噴射時期制御部を備えた。
【００４７】
この結果、点火マップ値で点火した場合や点火時期を遅角化した場合に燃焼ができない希薄混合気状態であっても、吸気温度の状態に応じて噴射時期の遅角量を決めることができるため、より広い吸気温度条件で点火時期における点火プラグ周囲の燃料空気の混合気を適正化し、安定燃焼を実現できるようになる。
【００４８】
また、この場合に、点火時期制御部（アクチュエータ制御部２０ｇ）は、内燃機関の吸気側空気温度が燃焼室２１の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、点火装置の点火時期を“吸気側空気温度が燃焼室２１の圧縮比における目標吸気温度以上の場合に設定される点火時期”に比べ、遅角化するように点火装置を制御することが望ましい。本実施例は、噴射時期を遅角化する噴射制御部と合わせて、点火時期を遅角化する点火装置制御部を備えており、所望の制御が可能である。このようにすれば、吸気温度が低い場合に点火時期における温度を確保でき、かつ、点火時期において過剰に混合気の空気過剰率が低減されることも抑制できるので、希薄限界希望において安定に燃焼させることができる。噴射時期を点火時期に合わせてシフトする場合（噴射と点火の間隔を保つ場合）は、点火時期における混合気の温度を上昇させつつ、点火プラグ周囲の混合気の空気過剰率を維持できるので、より燃焼が安定しやすくなる。さらに、点火時期を限界までリタードしても温度が足りない場合は、点火時期マップと噴射時期マップで定義される点火と噴射の間隔よりも、間隔が小さくなるように噴射時期を遅角化し、点火プラグ周りの空気過剰率を低下させることで、燃焼を安定させることができる。
【００４９】
これは、空気過剰率１以上の範囲では、空気過剰率が小さいほど、より層流燃焼速度が大きくなり、低い温度で必要となる燃焼速度が確保できるためである。ただし、点火プラグ周りの空気過剰率が小さくなるとＮＯｘの排出量が増加するため、できるだけ空気過剰率の減少を抑制する（噴射と点火の間隔を小さくしすぎない）ことが好ましい。空気過剰率の減少を抑制しつつ燃焼を安定させるためには、本実施例のように点火と同時に噴射時期の遅角化を実施する構成が好適ではある。しかし、必ずしもこれに限らず、点火時期を点火マップ時期に固定し、燃料噴射時期のみを遅角化し、点火プラグ周囲の混合気の空気過剰率を小さくすることで、燃焼安定化が実現できる。
【００５０】
また、本実施例では、点火時期が限界時期より進角側にある場合、点火と噴射の間隔を一定に保つとしているが、必ずしもこれに限らず、間隔を変更してもよい。噴射時期が遅角側にずれると、噴射時期の筒内圧が高くなる。このため噴霧の到達距離が短くなるため、時間に対するプラグ周囲の空気過剰率の変化が、異なってくる。
【００５１】
図８には、図５におけるステップＳ５０８で実施する演算処理が記載されている。まず、ステップＳ８０１にて圧縮比の制御を実施中かを示す圧縮比制御フラグがＯＮになっているかを判定する。圧縮比制御フラグがＯＮである場合は、ステップＳ８０２に進み、検出圧縮比が目標圧縮比かを判定する。この際は、実圧縮比ε１、Ｒを用いて評価する。目標圧縮比に達していない場合は、そのまま終了し、目標圧縮比に向かうように制御を継続する。目標圧縮比に達している場合は、ステップＳ８０３に進み、圧縮比制御フラグをＯＦＦに設定し、圧縮比制御を停止する。ステップＳ８０２にて、圧縮比制御フラグがＯＦＦと判断した場合は、ステップＳ８０４に進み、目標吸気温度と吸気温度の差分が基準値αよりも大きいかを判定する。基準値αは正の値であり、温度差が小さく吸気温度が目標吸気温度に達するまでの時間が短い場合（吸気温度の応答が速い場合）は、圧縮比の制御を実施しない、温度差が大きく吸気温度が目標吸気温度に達するまでに時間を要する場合（吸気温度の応答が遅い場合）は圧縮比の制御を実施する、判断をするための基準値である。具体的には、吸気温度と圧縮比の制御の応答性に基づき決定するため、吸気温度制御装置７の構成に値は依存する。基準値αは、事前にエンジン試験やシミュレーションにより値を定義し、ＥＣＵに格納しておく。目標吸気温度と吸気温度の差が基準値αより大きい場合、ステップＳ８０５に進み、検出吸気温度での目標圧縮比を決定する。検出吸気温度での目標圧縮比Ｅｔａｒは、図１１に示すような吸気温度と目標圧縮比が負の相関を持つ関係特性と、検出吸気温度Ｔｃｕｒに基づき決定する。吸気温度と目標圧縮比が負の相関を持つ関係特性は、事前にエンジン試験やシミュレーションにより値を定義し、ＥＣＵに格納しておく。
【００５２】
すなわち、本実施例では内燃機関には圧縮比を変える可変圧縮比装置１８が設けられ、ＥＣＵ２０のアクチュエータ制御部２０ｇ（圧縮比制御部）は吸気側空気温度が燃焼室２１の圧縮比における目標吸気温度よりも低い場合に、燃焼室２１の圧縮比を大きくするように可変圧縮比装置１８を制御する。吸気温度の応答に比べて、圧縮比を制御する可変圧縮比装置１８や可変動弁５の応答が早い。温度が低い条件が長く続くと、図７に示したフローにおいて、噴射時期と点火時期の間隔が小さくなると、点火プラグ周囲の空気過剰率が上昇するため、マップ値で定義される間隔よりも小さくなる期間が長くなる。この間は、ＮＯｘ排出量が増加するため、このように点火と噴射の間隔が小さくなる期間をできるだけ短くしたい。圧縮比を操作し、圧縮後の温度が適切な温度域に達する時期を早めてやることができれば、噴射時期と点火時期の間隔がマップ値で定義される値よりも小さくなる期間を短くし、低ＮＯｘ性能を損なう量を低減できる。
【００５３】
なお、吸気温度検出については、図３に示す吸気温度センサ３を吸気圧力センサに置換し、エアフローセンサ１で検出した温度と置換した吸気圧センサで検出した圧力から推定することもできる。
【００５４】
図１２には、図５から図８に示したフローチャートを用いた場合の点火時期、噴射時期、圧縮比の変化を示す。吸気温度が時間ｔ１で変化し、その後、吸気温度の制御により目標吸気温度まで戻った状態を想定し、図１２では、目標吸気温度と吸気温度の差が基準値αを超えないとする。時間ｔ１で温度が減少すると、これに合わせて、点火時期が遅角化し、噴射時期も合わせて遅角化する。ここで、時刻ｔ２に至ると、点火時期の遅角量が大きくなり、限界時期に達するため、噴射時期と間隔をつめるように噴射時期の遅角化を進める。時間ｔ３、吸気温度制御装置による加熱が進み、吸気温度が上昇すると、噴射時期の進角化が始まり、噴射時期の間隔が所定量を超えると点火時期の遅角化も始まる。ここで、所定量は、例えば噴射マップ値と点火マップ値で求まる点火と噴射の間隔とすることができる。
【００５５】
以上のように制御することで、燃焼安定性を損なうことなく、吸気温度が変化した場合にも、希薄限界での燃焼が可能になる。従来技術では、吸気温度によらず噴射時期、点火時期の遅角補正を実施しないため、希薄限界近くでの燃焼が吸気温度によっては不安定化し、出力変動が大きくなる。
【００５６】
図１３には、図５から図８に示したフローチャートを用いた場合の点火時期、噴射時期、圧縮比の変化を示す。吸気温度が時間ｔ１で変化し、目標吸気温度と吸気温度の差が基準値αを超えると想定し、圧縮比の制御も加わる状況を示す。時間ｔ１で温度が減少すると、これに合わせて、点火時期が遅角化し、噴射時期も合わせて遅角化する。ここで、時刻ｔ２で目標吸気温度と吸気温度の差が基準値αを超えると、圧縮比が高圧縮比化する制御を開始する。このとき合わせて、吸気温度の目標値の修正が行われる。点火時期の遅角量が大きくなり、限界時期に達するため、噴射時期と間隔をつめるように噴射時期の遅角化を進める。時間ｔ３、吸気温度制御装置による加熱が進み、吸気温度が上昇すると、噴射時期の進角化が始まり、噴射時期の間隔が所定量を超えると点火時期の遅角化も始まる。ここで、所定量は、例えば噴射マップ値と点火マップ値で求まる点火と噴射の間隔とすることができる。
【００５７】
以上のように制御することで、燃焼安定性を損なうことなく、吸気温度が変化した場合にも、希薄限界での燃焼が可能になる。高圧縮比化を実施しない場合は、点火時期が限界時期に設定される期間が長くなり、噴射時期と点火時期の間隔がΔＤｉｆｆ、ｍａｐより小さくなる期間が長くなる。ΔＤｉｆｆ、ｍａｐより間隔が小さい条件では、希薄燃焼限界に比べ燃料混合気の割合が上昇するためＮＯｘ（窒素酸化物）の排出が増える。圧縮比を高圧縮比化することで、圧縮による温度上昇を大きくし、点火時期における必要温度を早い段階で確保できる。この結果、温度の確保のために実施していた点火の遅角の期間を短くでき、さらに、噴射と点火の間隔がΔＤｉｆｆ、ｍａｐより小さくなる期間を減らすことができるので、ＮＯｘ排出量を抑制することが可能になる。
【００５８】
以上では、吸気温度の加熱手段として、インタークーラー７を用いた吸気冷却量の制御、排気ガスと吸気との熱交換、を開示したが、これらの手段に限ることなく、吸気を加熱するヒーターや、圧縮機を用いた吸気の過熱に対しても、本実施例に示した制御は適用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１…エアフローセンサ、２…電子制御スロットル、３…吸気温度センサ、４…過給機、４ａ…コンプレッサ、４ｂ…タービン、５…可変バルブ、６…吸気マニホールド、７…吸気温度制御装置、９…空燃比センサ、１０…三元触媒、１１…ウェイストゲート弁、１２…アクセル開度センサ、１３…筒内直接噴射用インジェクタ、１４…シリンダ、１５…排気管、１６…点火コイル、１７…点火プラグ、１８…可変圧縮比装置、１９…クランク角センサ、２０…ＥＣＵ、２０ａ…入力回路、２０ｂ…入出力ポート、２０ｃ…ＲＡＭ、２０ｄ…ＲＯＭ、２０ｅ…ＣＰＵ、２０ｆ…電子制御スロットル駆動回路、２０ｇ…インジェクタ駆動回路、２０ｈ…ウェイストゲート弁駆動回路、２０ｊ…インタークーラ冷却水弁駆動回路、２０ｋ…変速機駆動回路、２０ｍ…ＥＧＲバルブ駆動回路、４０…ＥＧＲ管、４１…ＥＧＲバルブ、４２…ＥＧＲクーラ、４３…差圧センサ、４４…ＥＧＲ温度センサ、１００…エンジン
【図１】
0006476102.tif 000002
【図２】
0006476102.tif 000003
【図３】
0006476102.tif 000004
【図４】
0006476102.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0006476102.tif 000008
【図８】
0006476102.tif 000009
【図９】
0006476102.tif 000010
【図１０】
0006476102.tif 000011
【図１１】
0006476102.tif 000012
【図１２】
0006476102.tif 000013
【図１３】
0006476102.tif 000014