(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮自己着火燃焼時に、排気弁閉時期を進角し、吸気弁開時期を遅角して、排気上死点の前後に吸気弁、排気弁の両者が閉じる密閉期間を設ける内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
機関負荷、機関回転数、および、外部環境を表す少なくとも１つのパラメータに応じて、前記密閉期間の長さを調整制御し、かつ、機関回転数が高いほど密閉期間を大きくすることを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項２】
前記外部環境を表わすパラメータが吸気温度であり、機関負荷、機関回転数、吸気温度に応じて、前記密閉期間の長さを調整制御することを特徴とする請求項項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項３】
吸気温度が低いほど、前記密閉期間を大きくすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項４】
筒内に直接燃料噴射を行う少なくとも１本の燃料噴射弁を備え、機関負荷に対して、必要燃料噴射量を決定する手段を有し、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項５】
前記吸気温度が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項６】
前記密閉期間の長さが、一定値を越えた場合のみ、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項７】
前記外部環境表わすパラメータが大気圧力であり、機関負荷、機関回転数、大気圧力に応じて、吸気弁閉時期を調整制御することを特徴とする請求項１に内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項８】
前記大気圧力が低いほど、前記吸気弁閉時期を下死点方向に早くすることを特徴とする請求項７項記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項９】
筒内に直接燃料噴射を行う少なくとも１本の燃料噴射弁を備え、機関負荷に対して、必要燃料噴射量を決定する手段を有し、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項１０】
前記大気圧力が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項１１】
前記外部環境を表わすパラメータが吸入空気量であり、機関負荷、機関回転数、吸入空気量に応じて、前記密閉期間の長さ、吸気弁閉時期の少なくとも一方を調整制御することを特徴とする請求項１に内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項１２】
吸入空気量が少ないほど、密閉期間の長さを小さくすることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項１３】
吸入空気量が少ない場合、吸気弁閉時期を下死点方向に進角することを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項１４】
圧縮自己着火燃焼時に、排気弁閉時期を進角し、吸気弁開時期を遅角して、排気上死点の前後に吸気弁、排気弁の両者が閉じる密閉期間を設ける内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
機関負荷、機関回転数、および、過渡状態を表わす少なくとも１つのパラメータに応じて、前記密閉期間の長さを調整制御し、かつ、機関回転数が高いほど密閉期間を大きくすることを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項１５】
前記過渡状態表わすパラメータが機関油水温であり、機関負荷、機関回転数、機関油水温に応じて、前記密閉期間の長さを調整制御することを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項１６】
機関油水温が低いほど、前記密閉期間を大きくすることを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項１７】
筒内に直接燃料噴射を行う少なくとも１本の燃料噴射弁を備え、機関負荷に対して、必要燃料噴射量を決定する手段を有し、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射することを特徴とする請求項１４〜請求項１６のいずれか１つに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項１８】
前記油水温が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることを特徴とする請求項１７に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項１９】
前記過渡状態表わすパラメータが機関排気温度であり、機関負荷、機関回転数、機関排気温度に応じて、前記密閉期間の長さを調整制御することを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項２０】
前記機関排気温度が低いほど、前記密閉期間を大きくすることを特徴とする請求項１９に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項２１】
筒内に直接燃料噴射を行う少なくとも１本の燃料噴射弁を備え、機関負荷に対して、必要燃料噴射量を決定する手段を有し、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射することを特徴とする請求項２０又は請求項２１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【請求項２２】
排気温度が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることを特徴とする請求項２１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮自己着火式内燃機関のバルブタイミング制御装置に関し、特に、自己着火性能を改善した技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自己着火内燃機関として、たとえば、特開平１０−２６６８７８公報に示されているものがある。
特開平１０−２６６８７８公報記載の技術では、機関低負荷から中負荷域に設定される圧縮自己着火燃焼領域において、排気弁の閉弁時期と吸気弁の開弁時期との間に燃焼室が密室となる期間を設け、負荷の上昇とともに排気弁の閉弁時期を遅角させ、かつ吸気弁の開弁時期を進角させ、前記密室となる期間を徐々に減少するよう設定されている。また、低負荷および高負荷領域においては吸気弁の閉弁時期を早め、中負荷領域においては閉弁時期を遅らせるよう設定する。このように、機関負荷に応じて、吸気弁、排気弁の開閉時期を制御することで、低負荷から中、高負荷領域まで安定した圧縮自己着火燃焼を可能としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、筒内で安定的に、かつ急激な圧力上昇による燃焼騒音を伴わずに、圧縮自己着火を引き起こし、良好な燃料消費と、少ないエミッション（排気汚染物質）の排出で燃焼を行うためには、運転条件によらず最適な着火時期で燃焼が開始し、最適な燃焼期間の後に燃焼が終了する必要があることがわかっている。
【０００４】
着火時期、燃焼期間は、基本的に筒内の圧力、温度、空気過剰率に影響されるため、上記を達成するためには、圧縮上死点付近での圧力、温度、空気過剰率等を運転状態によらず最適に制御することが重要である。
したがって、これら、圧縮上死点付近での圧力、温度、空気過剰率を機関負荷、機関回転数等の運転状態はもとより、過渡時の運転状態、たとえば始動時等の油水温（潤滑油温度および冷却水温度）や排気温度、走行する環境、たとえば高度によって変わる大気圧力、吸気温度等の走行時の外部環境によらず一定となるように制御する必要がある。
【０００５】
これら、圧力、温度、空気過剰率の過渡状態や走行時の外部環境、たとえば油水温、吸気温、吸気圧（大気圧）、排気温度等に対する変化の様子を図１５に示す。
油水温や吸気温、排気温度のように、温度が変化する場合と大気圧のように圧力が変化する場合があり、前者の温度変化に対しては、温度が低いほど、筒内温度、すなわち圧縮上死点付近での温度が低くなり、また、吸入空気すなわち吸入酸素量が増大する。したがって、温度、圧力、空気過剰率を最適化し、着火時期を適切に保つには、低下分の温度を上昇させ、かつ吸入酸素量を減ずる必要がある。
【０００６】
また、大気圧の変動、すなわち吸気圧力・筒内圧力の変動に対しては、圧力が低いほど、圧縮上死点付近での筒内圧力が低下し、かつ吸入酸素量が減少する。したがって、温度、圧力、空気過剰率を最適化し、着火時期を適切に保つには、低下分の圧力を上昇させ、かつ吸入酸素量を増加させる必要がある。
しかしながら上記従来技術においては、機関の走行時の外部環境によって変化する、吸気温度や大気圧力、また暖機時の機関油水温に対応したバルブタイミングの制御を行っていないうえ、内燃機関が過渡状態にある場合の吸気温度の変化や吸入空気量のサイクルばらつき、燃料噴射量のサイクルばらつき等に起因するサイクル毎の排気温度の変化、またはそれらに起因する燃焼安定度の悪化などに対応できず、連続して安定した自己着火燃焼を行えないことが考えられる。
【０００７】
また、排気上死点付近に排気弁、吸気弁の両者を閉じた密閉期間を設け、該密閉期間の長さおよび吸気弁閉時期を調整することで、主に筒内に吸入される空気量を調整し、圧力、温度を調整し、理論空燃比にて安定的に圧縮自己着火燃焼させようとしているが、密閉期間の長さで吸気量を調整しようとした場合、低負荷時には密閉期間を著しく増大させる必要が生じることが考えられる。
【０００８】
密閉期間が長い場合、サイクル中の筒内の温度が常に高く、冷却損失が増大し燃費が悪化するという問題がある。
一方で、吸気弁閉時期を空気量調整のために遅らせた場合、実圧縮比が低下し、圧縮上死点付近では筒内圧力が十分に上昇せず、前述の着火の条件となる温度、圧力を最適に出来ない場合が考えられる。特に負荷が低い場合、圧力が十分に上昇しないと、投入燃料量が少ないため、そもそも着火が困難であるため、失火し、圧縮自己着火運転領域が制限され、十分な燃費向上が行えないことが考えられる。
【０００９】
ここで、冷却損失増大を抑制しつつ、広い運転範囲で確実に圧縮自己着火燃焼を行うためには、筒内に着火性（反応性）の高いたとえばアルデヒドのような改質種を投入または生成することが有効となる。排気弁、吸気弁共に閉じた密閉期間中は、残留ガスを再圧縮するため、排気上死点付近を中心に非常に高温・高圧雰囲気となる。この状況で、筒内に少量の燃料噴射を行うと、燃料が高温・高圧場において、反応性の高い活性種に改質され、圧縮上死点付近での圧縮自己着火を引き起こし易くすることが可能となる。この改質の程度は密閉期間中の燃料噴射量、密閉期間の長さにより影響される。したがって、密閉期間の長さと密閉期間中の燃料噴射量を運転条件毎に調整することで、運転条件によらず最適燃焼開始時期、燃焼期間を達成し、冷却損失を増大させない良好な燃費での安定燃焼を行うことができる。
【００１０】
しかしながら、この改質の程度は、密閉期間の長さと密閉期間中の燃料噴射量以外に、排気温度、または前サイクルの燃焼安定度すなわち排気行程後半での未燃燃料濃度や火炎温度等により影響される。また、これらの排気温度や燃焼安定度自体が吸気温度や吸気圧力、油水温に影響され、かつ直接的に密閉期間中の圧縮される残留ガス温度にも影響する。したがって、このような場合でも、機関の走行時の環境、過渡時の運転状態に応じて密閉期間の長さ、吸気弁閉時期を調整する必要がある。
【００１１】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、バルブタイミングを適切に制御することにより、走行時の外部環境変化や運転状態変化に対しても、常に安定した圧縮自己着火性及び良好な燃費を確保できるようにした内燃機関のバルブタイミング制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の発明は、
圧縮自己着火燃焼時に、排気弁閉時期を進角し、吸気弁開時期を遅角して、排気上死点の前後に吸気弁、排気弁の両者が閉じる密閉期間を設ける内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
機関負荷、機関回転数、および、外部環境を表す少なくとも１つのパラメータに応じて、前記密閉期間の長さを調整制御し、かつ、機関回転数が高いほど密閉期間を大きくすることを特徴とする。
【００１３】
請求項１記載の発明によれば、機関運転時の外部環境によって、圧縮上死点付近での筒内圧力、筒内温度、空気過剰率が変化することにより、圧縮自己着火開始時期や燃焼期間が変化し、燃焼不安定になる、ないしは急激な燃焼によりノッキングが生じることを防ぎ、着火時期と燃焼期間を走行時の外部環境によらず最適に制御することが可能となる。
【００１４】
また、請求項２の発明は、
前記外部環境を表わすパラメータが吸気温度であり、機関負荷、機関回転数、吸気温度に応じて、前記密閉期間の長さを調整制御することを特徴とする。
請求項２記載の発明によれば、吸気温度を検出し、機関負荷、機関回転数、吸気温度に応じて、前記密閉期間の長さを調整制御するようにしたため、圧縮上死点付近での筒内温度、空気過剰率が変化することにより、圧縮自己着火開始時期や燃焼期間が変化し、燃焼不安定になる、ないしは急激な燃焼によりノッキングが生じることを防ぎ、着火時期と燃焼期間を走行時の外部環境によらず最適に制御することが可能となる。
【００１５】
また、請求項３の発明は、吸気温度が低いほど、前記密閉期間を大きくすることを特徴とする。
請求項３記載の発明によれば、吸気温度が低いほど、前記密閉期間を大きくするようにしたため、運転する時刻、季節によって変わりうる吸気温度が低い場合に、圧縮上死点付近での筒内温度が低くなって圧縮自己着火開始時期が遅くなり、燃焼期間が長くなって熱効率が低下したり、または失火したりすることを防ぎ、吸気温度の低下による筒内温度の低下を調整し、着火時期と燃焼期間を吸気温度によらず最適に制御することが可能となる。
【００１６】
また、請求項４の発明は、筒内に直接燃料噴射を行う少なくとも１本の燃料噴射弁を備え、機関負荷に対して、必要燃料噴射量を決定する手段を有し、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射することを特徴とする。
請求項４記載の発明によれば、上記内燃機関において、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射するようにしたため、吸気温度が低いことに起因して筒内温度が低く、圧縮自己着火し難い運転条件において、筒内に反応性の高い活性種を改質により生成し、着火性を向上することで、密閉期間を著しく増大させることにより冷却損失増大を引き起こし燃費向上を損なうことことを防止しつつ、着火時期と燃焼期間を吸気温度によらず最適に制御することが可能となる。
【００１７】
また、請求項５の発明は、前記吸気温度が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることを特徴とする。
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の内燃機関において、吸気温度が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることにより、吸気温度が低いことに起因して筒内温度が低く、圧縮自己着火し難い場合、筒内に反応性の高い活性種を生成し、かつ活性種の生成量を調整することで、適度に着火性を向上し、密閉期間を著しく増大させることなく、着火時期と燃焼期間を吸気温度によらず最適に制御することが可能となる。
【００１８】
また、請求項６の発明は、前記密閉期間の長さが、一定値を越えた場合のみ、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることを特徴とする。
請求項６記載の発明によれば、請求項４記載の内燃機関において、前記密閉期間の長さが、一定値を越えた場合のみ、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くするようにしたため、密閉期間中の燃料改質による熱発生に起因する冷却損失増大と、密閉期間拡大による筒内雰囲気温度上昇による冷却損失増大の両者を抑制し、燃費向上を損なうことなく、着火時期と燃焼期間を吸気温度によらず最適に制御することが可能となる。
【００１９】
また、請求項７の発明は、前記外部環境表わすパラメータが大気圧力であり、機関負荷、機関回転数、大気圧力に応じて、吸気弁閉時期を調整制御することを特徴とする。
すなわち、大気圧力が低い場合、吸気圧力が低くなり、その結果、吸気弁閉時の筒内圧力も低下することになり、圧縮上死点付近での筒内圧力が低く、圧縮自己着火開始時期が遅くなり、燃焼期間が長くなって熱効率が低下したり、または失火したりすることが考えられる。一方、吸気圧力低下は同一の吸気体積効率であっても、吸入される空気（酸素）重量が低下することになり、実効上の空気過剰率は低下することになる。したがって、空気過剰率小により、燃焼が急激に生じる、または最適な着火時期以前に着火が生じることにより、ノッキングが発生し、燃焼騒音の増大、最悪の場合、エンジンの破損を引き起こすことが考えられる。また、空気過剰率小さい場合、ＮＯｘ排出量が増大することも懸念される。
【００２０】
そこで、請求項７記載の発明によれば、請求項１記載の内燃機関において、大気圧力を検出し、機関負荷、機関回転数、大気圧力に応じて、吸気弁閉時期を調整制御するようにしたため、運転する高度、または時刻、季節によって変わりうる大気圧力によって、圧縮上死点付近での筒内圧力、空気過剰率が変化することにより、圧縮自己着火開始時期や燃焼期間が変化し、燃焼不安定になる、ないしは急激な燃焼によりノッキングが生じることを防ぎ、着火時期と燃焼期間を大気圧力によらず最適に制御することが可能となる。
【００２１】
また、請求項８の発明は、前記大気圧力が低いほど、前記吸気弁閉時期を下死点方向に進角することを特徴とする。
請求８項記載の発明によれば、請求項７記載の内燃機関において、大気圧力が低いほど、吸気弁閉時期を進角するようにしたため、大気圧力が低いことにより、圧縮上死点付近での筒内圧力が低く、着火時期遅角、燃焼不安定を抑制するとともに、吸気弁を早めに閉じることにより、吸入空気量を増大させ、圧縮上死点付近の圧力、空気過剰率を最適に調整することにより、着火時期と燃焼期間を大気圧力によらず最適に制御することが可能となる。
【００２２】
また、請求項９の発明は、筒内に直接燃料噴射を行う少なくとも１本の燃料噴射弁を備え、機関負荷に対して、必要燃料噴射量を決定する手段を有し、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射することを特徴とする。
機関高回転時や廃関低負荷時等の圧縮自己着火し難い運転条件において、筒内に反応性の高い活性種を改質により生成し、着火性を向上することで、大気圧力の変動に対し吸気弁閉時期を調整した場合、機関回転数に応じて、同様な吸気弁閉時期でも吸入される空気量が異なり、吸気弁閉時期がＢＤＣ付近となった場合では、吸気弁閉時期の調整だけでは、着火性の調整を行えないことが考えられる。
【００２３】
そこで、請求項９記載の発明によれば、請求項７又は請求項８記載の内燃機関において、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射するようにしたため、大気圧力の変動に対して、吸気弁閉時期の調整と共に、密閉期間中に燃料噴射を行うことで、大気圧力によらず、圧縮上死点付近での着火性を確実に確保、調整することができるため、着火時期と燃焼期間を大気圧力によらず最適に制御することが可能となる。
【００２４】
また、請求項１０の発明は、前記大気圧力が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることを特徴とする。
請求項１０記載の発明によれば、請求９項記載の内燃機関において、大気圧力が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることにより、大気圧力が低いことに起因して筒内圧力が低く、圧縮自己着火し難い場合、筒内に反応性の高い活性種を生成し、かつ活性種の生成量を調整することで、適度に着火性を向上し、密閉期間を著しく増大させることなく、確実に着火時期と燃焼期間を吸気温度によらず最適に制御することが可能となる。
【００２５】
また、請求項１１の発明は、前記外部環境表わすパラメータが吸入空気量であり、機関負荷、機関回転数、吸入空気量に応じて、前記密閉期間の長さ、吸気弁閉時期の少なくとも一方を調整制御することを特徴とする。
請求項１１記載の発明によれば、請求項１記載の内燃機関において、機関負荷、機関回転数、吸入空気量に基づいて、前記密閉期間の長さ、吸気弁閉時期の少なくとも一方を調整制御するようにしたため、車両走行時の外部環境の変化より生じる吸入空気量の変化により、圧縮上死点付近の空気過剰率が変化し、着火性が変動し、ピストン圧縮による着火時期、燃焼期間の変動により、たとえば燃焼不安定や燃焼期間の増大、または急激な圧力上昇による燃焼騒音の増大等を抑制しつつ良好な燃費での安定した燃焼を行うことが可能となる。
【００２６】
また、請求項１２の発明は、吸入空気量が少ないほど、密閉期間の長さを小さくすることを特徴とする。
請求項１２記載の発明によれば、請求項１１記載の内燃機関において、吸入空気量が少ないほど、密閉期間の長さを小さくするようにしたため、吸入空気量を密閉期間の長さによって増加させることができ、吸気量減少による筒内の空気過剰率低下に起因する急激な圧力上昇による燃焼騒音の増大等を抑制しつつ良好な燃費での安定した燃焼を行うことが可能となる。
【００２７】
また、請求項１３の発明は、吸入空気量が少ない場合、吸気弁閉時期を下死点方向に進角することを特徴とする。
請求項１３記載の発明によれば、請求項１１記載の内燃機関において、吸入空気量が少ない場合、吸気弁閉時期を下死点方向に進角するようにしたため、吸入空気量を増加させることができ、吸気量減少による筒内の空気過剰率低下に起因する急激な圧力上昇による燃焼騒音の増大等を抑制しつつ良好な燃費での安定した燃焼を行うことが可能となる。
【００３０】
また、請求項１４の発明は、
圧縮自己着火燃焼時に、排気弁閉時期を進角し、吸気弁開時期を遅角して、排気上死点の前後に吸気弁、排気弁の両者が閉じる密閉期間を設ける内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
機関負荷、機関回転数、および、過渡状態を表わす少なくとも１つのパラメータに応じて、前記密閉期間の長さを調整制御し、かつ、機関回転数が高いほど密閉期間を大きくすることを特徴とする。
【００３１】
請求項１４記載の発明によれば、機関負荷、機関回転数および過渡状態を表わす少なくとも１つのパラメータに応じて、前記密閉期間の長さ、吸気弁閉時期の少なくとも一方を調整制御するようにしたため、機関始動時や機関負荷・回転数の変化によって、圧縮上死点付近での筒内圧力、筒内温度、空気過剰率が過渡的に変化することにより、圧縮自己着火開始時期や燃焼期間が変化し、燃焼不安定になる、ないしは急激な燃焼によりノッキングが生じることを防ぎ、機関が過渡状態にある場合でも、着火時期と燃焼期間を最適に制御することが可能となる。
【００３２】
また、請求項１５の発明は、前記過渡状態を表わすパラメータが機関油水温であり、機関負荷、機関回転数、機関油水温に応じて、前記密閉期間の長さを調整制御することを特徴とする。
請求項１５記載の発明によれば、請求項１４記載の内燃機関において、機関油水温を検出し、機関負荷、機関回転数、機関油水温に応じて、前記密閉期間の長さを調整制御するようにしたため、機関油水温によって圧縮上死点付近の筒内温度や、筒内温度の変動に起因して吸気体積効率が等しい場合でも吸気重量が変動し、空気過剰率が変動することで、燃焼期間や圧縮自己着火開始時期が変化し、燃焼不安定になる、ないしは急激な燃焼によりノッキングが生じること防ぎ、着火時期と燃焼期間を機関油水温によらず最適に制御することができる。
【００３３】
また、請求項１６の発明は、機関油水温が低いほど、前記密閉期間を大きくすることを特徴とする。
請求項１６記載の発明によれば、請求項１５記載の内燃機関において、機関油水温が低いほど、前記密閉期間を大きくするようにしたため、機関始動時等に圧縮上死点付近での筒内温度が低く、また、筒内温度が低いことに起因して吸気体積効率が等しい場合でも吸気重量が増大し、空気過剰率が大きくなることで、圧縮自己着火開始時期が遅くなり、また、燃焼期間が長くなって熱効率が低下したり、または失火したりすることを防ぎ、機関油水温低下による筒内温度の低下を調整し、着火時期と燃焼期間を機関油水温によらず最適に制御することができる。
【００３４】
また、請求項１７の発明は、筒内に直接燃料噴射を行う少なくとも１本の燃料噴射弁を備え、機関負荷に対して、必要燃料噴射量を決定する手段を有し、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射することを特徴とする。
請求項１７記載の発明によれば、請求項１５又は請求項１６に記載の内燃機関において、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射するようにしたため、機関油水温が低いことに起因して筒内温度が低く、圧縮自己着火し難い運転条件において、筒内に反応性の高い活性種を改質により生成し、着火性を向上することで、密閉期間を著しく増大させ、冷却損失増大により燃費向上を損なうことなく、着火時期と燃焼期間を油水温によらず最適に制御することが可能となる。
【００３５】
また、請求項１８の発明は、前記油水温が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることを特徴とする。
請求項１８記載の発明によれば、請求項１７記載の内燃機関において、機関油水温が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることにより、機関油水温が低いことに起因して筒内温度が低く、圧縮自己着火し難い場合、筒内に反応性の高い活性種を生成し、かつ活性種の量を調整することで、適度に着火性を向上し、密閉期間を著しく増大させ、冷却損失増大により燃費向上を損なうことなく、着火時期と燃焼期間を油水温によらず最適に制御することが可能となる。
【００３６】
ここで、圧縮上死点付近での筒内温度、および空気過剰率は、排気温度によっても大きく影響される。すなわち、排気温度が高い場合、密閉期間中に圧縮される残留ガス温度が高くなり、その結果、吸入空気量が減少し、空気過剰率が小さくなる。一方、密閉期間中の筒内温度は非常に高くなりことで、圧縮上死点付近での筒内温度も高くなる。排気温度は、吸気温度や吸気圧力等によっても影響される上、サイクル無の燃焼変動によっても影響される。特に機関負荷や、回転数が変化する過渡時や、機関始動時等に油水温が変化する場合、排気温度がサイクル無に異なり、排気温度の変動によって次サイクルの燃焼変動が助長され、圧縮自己着火開始時期や燃焼機関の変動により、失火やノッキング等が生じ、運転性を大幅に損なうことが懸念される。このように、機関負荷、機関回転数に応じて、しかるべき密閉期間や吸気弁閉時期に設定しても、機関が過渡時にある場合は、排気温度の変動によって燃焼不安定やノッキングの発生を必ずしも抑制できない。
【００３７】
また、請求項１９の発明は、前記過渡状態表わすパラメータが機関排気温度であり、機関負荷、機関回転数、機関排気温度に応じて、前記密閉期間の長さを調整制御することを特徴とする。
請求項１９記載の発明によれば、請求項１４記載の内燃機関において、排気温度検出手段を備え、機関負荷、機関回転数、排気温度に応じて、前記密閉期間の長さを調整制御するようにしたため、排気温度の変動によって、圧縮上死点付近での筒内温度が変化することにより、圧縮自己着火開始時期や燃焼期間が変化し、燃焼不安定になる、ないしは急激な燃焼によりノッキングが生じることを防ぎ、着火時期と燃焼期間を排気温度によらず最適に制御することが可能となる。
【００３８】
また、請求項２０の発明は、前記機関排気温度が低いほど、前記密閉期間を大きくすることを特徴とする。
請求項２０記載の発明によれば、請求項１９記載の内燃機関において、排気温度が低いほど、前記密閉期間を大きくするようにしたため、密閉期間中の残留ガス量を増大させ、密閉期間中の残留ガス温度の低下によって、圧縮上死点付近での筒内温度が低くなり、また、残留ガス温度の低下によって、吸入空気量が増大し、空気過剰率が大きくなることによって、圧縮自己着火開始時期が遅くなり、燃焼期間が長くなって熱効率が低下したり、または失火したりすることを防ぐことができる。したがって、着火時期と燃焼期間を排気温度によらず最適に制御することが可能となる。
【００３９】
また、請求項２１の発明は、筒内に直接燃料噴射を行う少なくとも１本の燃料噴射弁を備え、機関負荷に対して、必要燃料噴射量を決定する手段を有し、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射することを特徴とする。
請求項２１記載の発明によれば、請求項１９又は請求項２０に記載の内燃機関において、前記密閉期間中に前記必要燃料噴射量の一部を、少なくとも１回噴射するようにしたため、排気温度が低いことに起因して筒内温度が低く、かつ空気過剰率大によって、圧縮自己着火し難い運転条件において、筒内に反応性の高い活性種を改質により生成し、着火性を向上することで、密閉期間を著しく増大させ、冷却損失増大により燃費向上を損なうことなく、着火時期と燃焼期間を排気温度によらず最適に制御することが可能となる。
【００４０】
また、請求項２２の発明は、排気温度が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることを特徴とする。
請求項２２記載の発明によれば、請求項２１記載の内燃機関において、排気温度が低いほど、前記密閉期間中の燃料噴射量を多くすることにより、排気温度が低いことに起因して、圧縮自己着火し難い場合、筒内に反応性の高い活性種を生成し、かつ活性種の量を調整することで、適度に着火性を向上し、密閉期間を著しく増大させることで冷却損失増大により燃費向上を損なうことなく、着火時期と燃焼期間を排気温度によらず最適に制御することが可能となる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態の全体図を示すものである。ガソリン機関である内燃機関１の燃焼室２の略中央付近に燃料噴射弁３および点火プラグ４を配し、運転条件に応じて、該点火プラグ４による火花点火燃焼と、火花点火によらない圧縮自己着火燃焼を切り換える。該燃焼方式の切り換えに応じて、吸気弁５と排気弁６の開閉時期（バルブタイミング）が、バルブタイミング調整機構７によって調整される。
【００５４】
センサ類として、吸気通路８に介装されたスロットル弁９の開度を検出するスロットル開度センサ１０、吸入空気量を検出するエアフロメータ１１、吸気温度を検出する吸気温センサ１２、筒内圧力を検出する筒内圧センサ１３、排気通路１４に装着されて排気温度を検出する排気温センサ１５、機関回転速度を検出するクランク角センサ１６、油水温（潤滑油温度又は冷却水温度）を検出する油水温センサ１７が設けられる。これらセンサ類からの検出信号は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１８に入力され、該ＥＣＵ１８は、これら検出信号に基づいて、前記燃料噴射弁３からの燃料噴射量、火花点火燃焼時における前記点火プラグ４の点火時期、前記バルブタイミング調整機構７を介しての吸気弁５と排気弁６の開閉時期を設定して、それぞれ設定値に制御する。
【００５５】
前記火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼は、図３に示す負荷−回転数マップに基づいて選択する。圧縮自己着火燃焼は、火花点火燃焼に比べ、空気過剰率大においても燃焼が可能であり、低燃費かつ低エミッションでの運転が可能である一方、ガソリンは元来、ディーゼル機関における軽油と異なり、オクタン価が高く自己着火を引き起こしにくいため、圧縮比を高めるか、吸気温度を高めるなど、圧縮行程後半における筒内状況を高温、または高圧にしないかぎり圧縮自己着火を安定的に起こすことが困難である、一方で、ディーゼル機関にくらべ、火花点火燃焼による高出力運転が可能である。したがって、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼を切り換えることで、低燃費・低エミッションと高出力を両立することが可能となる。
【００５６】
圧縮自己着火を安定的に引き起こすには、圧縮上死点付近における筒内圧力、筒内温度を一定以上に高めた上、要求負荷から決定される燃料量に対し、空気過剰率を適正にする必要がある。
ここで、図２に示すように、圧縮自己着火燃焼時には、前記バルブタイミング調整機構７によって、排気弁６の閉時期（ＥＶＣ）を進角し、吸気弁５の開時期（ＩＶＯ）を遅角して、ＥＶＣ〜ＴＤＣ（排気上死点）間の圧縮仕事をＴＤＣ〜ＩＶＯ間に回収するようバルブタイミングを設定することで、排気上死点を挟んで、吸気弁５、排気弁６の両者が閉じる密閉期間（マイナスオーバーラップ期間）を設ける。これにより、高温の燃焼ガスの一部を通常バルブタイミングにおける排気行程後半に再圧縮し、次サイクルの筒内環境を高温に維持する。この方法によれば、吸気加熱装置を用いることなく、筒内温度を効率的に上昇させることが可能となる。
【００５７】
そして、上記バルブタイミングの設定において、密閉期間の長さを、機関回転数や機関負荷に応じて適正化することで、幅広い運転領域で圧縮自己着火による低燃費かつ低エミッションでの運転が可能となる。
しかしながら、圧縮上死点付近の筒内圧力や筒内温度、および吸気量は、機関回転数や、機関負荷だけではなく、走行環境や過渡状態によっても変化するため、これらに対応して、筒内圧力や筒内温度、および吸気量すなわち空気過剰率を適正化する必要がある。
【００５８】
これら走行環境に対する第１実施例における制御フローを、図９〜図１１に示す。
まず、初めに、スロットル開度センサ１０、クランク角度センサ１６の信号に基づき、ＥＣＵ１７内で機関負荷、機関回転数を算出する（Ｓ１）。
続いて、機関負荷、回転数に対する燃焼方式を図３に示すマップから選択する（Ｓ２）。
【００５９】
火花点火燃焼が選択された場合、バルブタイミングを排気上死点付近で吸気弁５、排気弁６ともに開いている通常のバルブオーバーラップを設けるよう設定し（Ｓ３）、エアフローメータ１１から検出された吸入空気量とスロットル開度センサ１０により検出されたスロットル開度とにより求められた要求機関負荷から燃料噴射量を算出し（Ｓ４，５）、前記バルブタイミング調整機構７によって、前記設定されたバルブタイミングとなるように調整する（Ｓ６）。
【００６０】
さらに、機関負荷、回転数毎にＥＣＵ１７内であらかじめ定められた燃料噴射時期および点火時期に設定し、燃料噴射弁３から燃料噴射を行い、点火プラグ４によって火花点火燃焼を行う（Ｓ７，８）。
一方、機関負荷、機関回転数に対して、圧縮自己着火燃焼が選択された場合、まず、図４（Ａ）に示すような特性マップなどに基づいて、密閉期間の長さを含むバルブタイミングの基準値を読込む（Ｓ９）。具体的には、機関負荷の増大に応じて密閉期間は短く、機関回転数の増大に応じて密閉期間が長くなるように設定されている。
【００６１】
また、図４（Ｂ）に示すような特性マップなどに基づいて、密閉期間中に燃料噴射を行うか否かを選択し、燃料噴射する場合の燃料噴射量Ｑｆを読み込む（Ｓ１０）。具体的には、高負荷・低回転領域で、密閉期間中の燃料噴射を停止し（Ｑｆ＝０）、負荷が低く回転数が高くなるほど密閉期間中の燃料噴射量Ｑｆが増大するように設定される。
【００６２】
しかる後に、スロットル開度を全開とし（Ｓ１１）、吸気温度、油水温をそれぞれ読込む（Ｓ１２，１３）。
また、吸気弁閉時期ＩＶＣと吸気弁閉時期ＩＶＣの筒内圧力Ｐｃを読み込み、該筒内圧力Ｐｃから、ＥＣＵ１７内に予め記憶された吸気圧力の基準値に対する吸気圧力の変動幅を算出する（Ｓ１４，１５）。なお、吸気圧力の代わりに吸入空気量Ｖｃを用いても構わない。
【００６３】
また、読込んだ吸気温度、油水温および算出された吸気圧力または吸入空気量の変動幅に対して、図５および図６に示すような３次元的なマップ［ｍ１，ｍ３については図５（Ａ），（Ｂ）のｍ１，ｍ３と図６（Ａ），（Ｃ）ｍ１，ｍ３を乗じて設定］から密閉期間の長さ、吸気弁閉時期および密閉期間中噴射量の各補正係数ｍ１，ｍ２，ｍ３を読込み、該補正係数ｍ１，ｍ２，ｍ３を用いて、基準値に対してそれらの値をそれぞれ変更する（Ｓ１６，１７）。これにより、密閉期間については、油水温，吸気温が低いときほど筒内温度を上昇させて着火性を高めるべく密閉期間が増大補正され、吸気弁閉時期については、吸気圧力ないし吸入空気量が大きいときほど吸入空気量を減少すべく下死点後の遅角量を大きくするように補正され、密閉期間中燃料噴射量については、油水温乃至吸気温が低いほど、また、吸気圧力が大きいほど冷却損失を低減すべく噴射量を増大補正して設定される。
【００６４】
次に、排気温度を読込み、図７に示すような排気温度に対する密閉期間の長さ、吸気弁閉時期あるいは密閉期間中の燃料噴射量に対する補正係数ａを算出する（Ｓ１８，１９）。ここで、排気温度が高いときほど、密閉期間中の過度の温度上昇を抑制し、また、吸入空気量を増大すべく、補正係数ａが小さく設定されている。
【００６５】
次に、燃焼安定度を読込み、図８に示すような燃焼安定度に対する密閉期間の長さ、吸気弁閉時期、あるいは密閉期間中の燃料噴射量に対する補正係数ｂを算出する（Ｓ２０，２１）。ここで、燃焼安定度が悪化するほど、着火性を優先させて安定した圧縮自己着火性を確保すべく、補正係数ｂが大きく設定されている。
【００６６】
このようにして算出された前記補正係数ａおよびｂを積算して、最終的に適切なバルブタイミング（密閉期間の長さと吸気弁閉時期）および密閉期間中の燃料噴射量を算出する（Ｓ２２）。
そして、前記設定されたバルブタイミングが得られるように前記バルブタイミング調整機構７によって調整すると共に、スロットル開度から要求負荷に応じた主燃料噴射量を算出し、主燃料噴射時期および密閉期間中の燃料噴射時期を設定し、燃焼を行う（Ｓ２３，２４）。
【００６７】
また、走行環境に対する第２実施例における制御フローを、図１２〜図１４に示す。
図２に示す燃焼方式をスロットル開度センサ１０、クランク角度センサ１６から計算される機関負荷、機関回転数に対して選択すること、火花点火燃焼が選択された場合の制御については、第１実施例と同様である（Ｓ１〜Ｓ８）。
【００６８】
一方、機関負荷、機関回転数に対して、圧縮自己着火燃焼が選択された場合、まず、スロットル開度を全開とした上で（Ｓ３１）、要求負荷に対する圧縮上死点圧力、圧縮上死点温度、吸入空気重量の基準値をＥＣＵ１７から読込む（Ｓ３２）。
また、機関負荷より求まる燃料噴射量を予めＥＣＵ１７に記憶されたスロットル開度に対する燃料噴射量を基に決定する（Ｓ３３）。
【００６９】
その後、吸気圧力または吸気弁閉時期における筒内圧力、吸気温度、油水温、排気温度、吸入空気量をそれぞれ読込む（Ｓ３４〜３９）。
読込んだ吸気温度、油水温、排気温度より、圧縮上死点温度を予測し、同じく、吸気圧力ないしは吸気弁閉時期における筒内圧力から圧縮上死点圧力を予測する（Ｓ４０，４１）。
【００７０】
また、吸入空気量と吸気弁閉時期における筒内圧力から吸入空気重量を算出する（Ｓ４２）。
該燃料噴射量で前記吸入空気重量を除して求まる空燃比と、予めＥＣＵ１７内に収められた理論空燃比とから空気過剰率を求め、該空気過剰率と前記圧縮上死点における筒内圧力および筒内温度の予測値に基づいて、バルブタイミング、特に密閉期間の長さ、吸気弁閉時期を決定する（Ｓ４３）。具体的には、筒内圧力および筒内温度の予測値が高いときには、過度の温度上昇を抑制するように密閉期間を小さくし、空気過剰率が大きいときには吸入空気量を減少するように吸気弁閉時期を、下死点後の遅角量を大きくして設定する。
【００７１】
このとき、密閉期間の長さおよび吸気弁閉時期の設定値が一定値を越えているか否かを判断し（Ｓ４４）、一定値を越えている場合、密閉期間中の噴射を行うための噴射量、噴射時期の設定を行う（Ｓ４５，４６）。
次いで、筒内圧センサ１２から算出された燃焼安定度から求まる補正係数ｂによって、バルブタイミング、および密閉期間中に燃料噴射を行う場合の密閉期間中の燃料噴射量を補正する（Ｓ４７〜Ｓ５０）。
【００７２】
その後、主燃料噴射時期を設定し、燃焼を行う（Ｓ５１）。
また、上記実施の形態で使用した検出値の他、湿度を検出して各制御値を補正するようにしてもよい。例えば、湿度が高いときは、圧縮自己着火性を高める方向の補正（前記実施例の燃焼安定度に対する補正係数ｂと同一傾向の補正係数を設定する）を行なう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の全体構成を示す図。
【図２】同上実施の形態によるバルブタイミングの変化の様子を示す図。
【図３】同じく燃焼方式の回転数−負荷による切換マップ。
【図４】同じく回転数−負荷による密閉期間長さの設定マップ及び密閉期間中燃料噴射量の設定マップ。
【図５】同じく油水温−吸気温による補正係数ｍ１、ｍ３の設定マップ。
【図６】同じく油水温（吸気温）−吸気圧力（吸入空気量）による補正係数ｍ１、ｍ２、ｍ３の設定マップ。
【図７】同じく排気温度による補正係数ａの設定マップ。
【図８】同じく燃焼安定度による補正係数ｂの設定マップ。
【図９】第１実施例の制御フロー（前段）を示すフローチャート。
【図１０】第１実施例の制御フロー（中段）を示すフローチャート。
【図１１】第１実施例の制御フロー（後段）を示すフローチャート。
【図１２】第２実施例の制御フロー（前段）を示すフローチャート。
【図１３】第２実施例の制御フロー（中段）を示すフローチャート。
【図１４】第２実施例の制御フロー（後段）を示すフローチャート。
【図１５】圧力、温度、空気過剰率の過渡状態や走行時の外部環境に対する変化の様子を示す図。
【符号の説明】
１    内燃機関
２    燃焼室
３    燃料噴射弁
４    点火プラグ
５    吸気弁
６    排気弁
７    バルブタイミング調整機構
９    スロットル弁
１０    スロットルセンサ
１１    エアフロメータ
１２    吸気温センサ
１３    筒内圧センサ
１５    排気温センサ
１６    クランク角センサ
１７    油水温センサ
１８    ＥＣＵ
【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】
0003931549.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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