(57)【要約】【課題】低負荷から高負荷への過渡運転時における、ノッキング回避のための出力低下を防止する。【解決手段】機関の筒内１に直接燃料を噴射する少なくとも一つの燃料噴射手段１１と、噴射された燃料が周囲の空気を取り込んで形成する混合気の供給速度を可変に制御する供給速度制御手段１３と、混合気に点火する燃焼開始手段１２と、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段１４、１５と、運転状態に応じた混合気の燃焼速度を検知する燃焼速度検知手段１３と、を備え、燃料噴射後の概ね均質な混合気に点火する第１の燃焼モードと、供給速度と燃焼速度とが釣り合うように制御することにより、混合気の燃焼火炎を筒内に定在化させる第２の燃焼モードと、を切り換えて運転可能な内燃機関の制御装置１３であって、機関負荷が低負荷から高負荷へ切り換わる運転状態では、第２の燃焼モードを実行する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関の筒内に直接燃料を噴射する少なくとも一つの燃料噴射手段と、
前記燃料噴射手段から噴射された燃料が周囲の空気を取り込んで形成する混合気の供給速度を可変に制御する供給速度制御手段と、
混合気に点火する燃焼開始手段と、
機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態に応じた混合気の燃焼速度を検知する燃焼速度検知手段と、
を備え、
前記燃焼開始手段により燃料噴射後の概ね均質な混合気に火花点火する第１の燃焼モードと、
前記燃焼開始手段により発生した燃焼火炎を前記供給速度と前記燃焼速度とが釣り合うように前記供給速度制御手段を制御することで前記筒内に定在化させる第２の燃焼モードと、
を切り換えて運転可能な内燃機関の制御装置であって、
機関負荷が低負荷から高負荷へ切り換わる運転状態では、第２の燃焼モードを実行することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備え、
機関負荷が低負荷から高負荷へ切り換わる運転状態では、前記可変圧縮比機構により機関圧縮比を相対的に低下させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
筒内のガス流動を強化する筒内流動強化手段を備え、
前記第２の燃焼モード実行中は、前記第１の燃焼モード実行中に比べて筒内流動を強化し、かつ前記第２の燃焼モード実行中には圧縮比の低下に伴って筒内流動を強化することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記供給速度制御手段は燃料噴射圧を変更することが可能であり、
前記第２の燃焼モード実行中は、前記第１の燃焼モード実行中に比べて燃料噴射圧を高くし、かつ前記第２の燃焼モード実行中には圧縮比の低下に伴って燃料噴射圧を高めることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
機関が加速運転状態であるか否か及び加速の度合を判定する加速判定手段を備え、
急加速であると判定した場合には前記第２の燃焼モードを、緩加速であると判定した場合には前記第１の燃焼モードを実行することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記第２の燃焼モード実行中は前記第１の燃焼モード実行中と比べて燃料噴射時期を遅角側に設定することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記燃焼開始手段として少なくとも２つ以上の点火栓を備え、
前記第２の燃焼モード実行中は、前記点火栓により上死点近傍にて火花点火を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記第２の燃焼モード実行中は、前記燃焼開始手段によらず自己着火により燃焼を開始することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記第１の燃焼モード実行中は、機関低負荷領域でＥＧＲガスを導入することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
ピストンに揺動自由に連結する第１のリンクと、
前記第１のリンクに回動自由に連結するとともにクランクシャフトに回転自由に装着される第２のリンクと、
前記クランクシャフトと平行にシリンダブロックに回転自由に支持され、その回転軸心に対して偏心する偏心軸部を有するコントロールシャフトと、
前記第２のリンクに連結ピンを介して揺動可能な第３のリンクと、を備え、
前記ピストンのストローク特性が、クランク中心からピストン上死点までの距離が同一かつ上死点から下死点までのピストンストローク量が同一の単リンク式ピストン−クランクシャフト機構のピストン−クランク機構に比べて単振動に近くなるように構成することを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の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、内燃機関の燃焼制御に関し、特にノッキングの発生を防止するための制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
火花点火式のガソリンエンジンにおいては、一般に、負荷の変化に対するスロットルバルブの応答速度に比べて燃料供給の応答速度が遅いので、例えば加速時のように負荷が低負荷から高負荷へ変化する状況では、空燃比が一時的にリーンになり燃焼速度が低下する。
【０００３】
そのため、燃焼室のエンドガスゾーンで未燃混合気が暖められる時間が長くなり、ノッキングが発生し易くなる。
【０００４】
このようなノッキングの発生を防止するために、負荷の増大に応じて点火時期を遅角させる技術が特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００５−００２８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、点火時期を遅角すると、ノッキングの発生を防止することはできるものの、出力が低下し、結果として加速性能が損なわれるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明では、負荷が増大する過渡期において、出力を犠牲にすることなくノッキングの発生を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の内燃機関の制御装置は、機関の筒内に直接燃料を噴射する少なくとも一つの燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段から噴射された燃料が周囲の空気を取り込んで形成する混合気の供給速度を可変に制御する供給速度制御手段と、混合気に点火する燃焼開始手段と、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態に応じた混合気の燃焼速度を検知する燃焼速度検知手段と、を備え、前記第１燃焼開始手段により燃料噴射後の概ね均質な混合気に火花点火する第１の燃焼モードと、前記第２燃焼開始手段により発生した燃焼火炎を前記供給速度と前記燃焼速度とが釣り合うように前記供給速度制御手段を制御することで前記筒内に定在化させる第２の燃焼モードと、を切り換えて運転可能な内燃機関の制御装置であって、機関負荷が低負荷から高負荷へ切り換わる運転状態では、第２の燃焼モードを実行するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、従来のエンジンにおいては、残留ガス等によりノッキングが発生しやすかった低負荷から高負荷への過渡運転時においても、ノッキング発生のおそれがないため、ノッキング回避のための点火時期遅角が不要となり、最適な点火時期での運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１（ａ）は本実施形態のシステム構成の概略図であり、エンジンのシリンダ周辺をエンジンのフロント側から見た断面図である。
【００１１】
２はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、４はシリンダブロック３に設けたシリンダ内を摺動するピストン、１はシリンダヘッド２下面とシリンダブロック３とピストン４の冠面とで形成する燃焼室である。５、６はそれぞれ燃焼室１に開口部を有する吸気通路と排気通路、７は吸気通路５の開口部を開閉する吸気バルブ、８は排気通路６の開口部を開閉する排気バルブである。吸気バルブ７、排気バルブ８はそれぞれ吸気カムシャフト９、排気カムシャフト１０によって駆動する。なお、本実施形態は吸気バルブ７、排気バルブ８を各気筒にそれぞれ２つずつ備える、いわゆる吸排２弁式とする。
【００１２】
１１は燃焼室１内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁（燃料噴射手段）、１２は燃焼室１内の混合気に点火する点火栓（燃焼開始手段）、１３は燃料噴射弁１１の噴射時期、噴射量等及び点火栓１２の点火タイミングを制御するコントロールユニット（供給速度制御手段、燃焼速度検知手段）である。
【００１３】
燃料噴射弁１１は噴孔を複数備えるいわゆるマルチホール噴射弁である。なお、噴射弁の種類は針弁により噴孔を開閉する一般的な噴射弁の他に、外開き噴射弁やスワール噴射弁等であってもよい。
【００１４】
図１（ｂ）は吸気通路５のｂ−ｂ矢視図である。なお、ｂ−ｂ線は吸気通路５が吸気バルブ７を備える各吸気ポートに分岐する位置よりも吸気流れ上流側である。
【００１５】
５ａはスワールコントロールバルブ（以下、ＳＣＶという）であり、流路断面を左右に２分割したうちの一方（図中左側）の流路面積を調整する。流路面積を小さくすると各吸気バルブ７を通過して燃焼室１内に流入する吸入空気量に偏りが生じ、これによりスワール流が生成される。したがって、流路面積を小さくするにしたがってスワール流は強くなり、大きくするにしたがって弱くなる。ＳＣＶ５ａの開閉制御は、運転状態に応じてコントロールユニット１３にて行われる。
【００１６】
点火栓１２の配置について図１、図２を参照して説明する。図２は図１の上面図であり、吸気バルブ７、排気バルブ８、吸気カムシャフト９、排気カムシャフト１０を省略したものである。
【００１７】
点火栓１２は、図1（ａ）では断面図であるため２本だけ示しているが、燃料噴射弁１１から噴射される複数の燃料噴霧それぞれに点火することができるように、噴孔と同数だけ設ける。例えば、図１及び図２に示すように吸気通路５、排気通路６、燃料噴射弁１１と干渉せず、かつ燃料噴霧に点火可能な位置に設ける。
【００１８】
本実施形態では、図２に示すように燃料噴射方向が６方向なので、燃料噴射弁１１から見て燃料噴射方向下流側の位置に、６個の点火栓１２を設ける。
【００１９】
なお、図１、図２に示した燃料噴射方向や燃料噴霧の本数、点火栓１２の配置はあくまでも一例である。
【００２０】
次に本実施形態で適用する燃焼形態の概要について、図３を参照して説明する。
【００２１】
図３（ａ）は、燃料が噴射されてから点火、燃焼するまでの挙動を模式的に表した図であり、図３（ｂ）は燃料噴孔からの距離と燃料噴霧の速度の関係を表した図である。なお、燃料噴霧の速度は、平均流速で表す。
【００２２】
図３に示すように、噴霧速度は燃料噴孔から遠ざかるほど低下する特性があり、低下する途中で火炎伝播速度と釣り合う点Ｐがある。なお、点Ｐは燃焼室１内の雰囲気、燃料噴射圧等により異なる。
【００２３】
燃料噴射弁１１から噴射された燃料は、周囲の空気を取り込みながら霧化・蒸発を経て可燃混合気を形成する。そして、燃料噴霧下流の点Ｑに設けた点火栓１２により可燃混合気に火花点火すると、火炎が生成する。
【００２４】
そして、図３に示すように点Ｑでは噴霧速度が火炎伝播速度よりも低いため、燃料噴射継続中に火炎は燃料噴孔方向にも伝播する。そして噴霧速度と火炎伝播速度とが釣り合う点Ｐで燃料噴孔方向への火炎の伝播は止まり、噴霧内部に火炎面が形成され、それ以後は火炎面は定在化する。つまり、噴射された燃料は点Ｐで燃焼を開始することになる。
【００２５】
なお、ここでいう火炎面とは、燃焼開始後の微少領域で予混合燃焼が持続するものと仮定した場合の、予混合燃焼の反応帯をいう。ところで、本実施形態では、未燃混合気が発生せず、かつ排気性能の良い燃焼が得られれば燃焼火炎の形態は特に問わないので、火炎面は必ずしも明確に定義できなくてもよい。
【００２６】
また、火花点火は、通常のガソリンエンジンと同様に、燃料噴射開始後に１回行えばよい。
【００２７】
上記のように、噴射された燃料は混合気を形成したら即座に燃焼を開始し、噴射された燃料の略全量が火炎面で燃焼開始するので、未燃混合気を発生させない噴霧燃焼が可能となり、また、燃料噴射時間と燃焼時間とがほぼ同等になる。
【００２８】
以下、このような燃焼を「混合気律則燃焼」（第２の燃焼モード）またはノックフリー燃焼と称する。なお、混合気律則燃焼の場合は、クランクシャフト角度が圧縮上死点近傍となる時期に燃料噴射を行う。また、混合気律則燃焼中は、混合気濃度がほぼ理論空燃比となるように制御する。
【００２９】
混合気律則燃焼によれば、上述したように未燃混合気が発生しないので、シリンダ外周付近に存在する未燃混合気が火炎伝播により燃焼する前に自己着火してノッキング現象が発生する、という問題も起こりえない。すなわち、混合気律則燃焼が成立するかぎり、ノッキングは発生しない。また、未燃混合気が燃焼室壁面近傍に存在しないことから、冷却損失が少なく、燃費の良い運転を実現することができる。さらに、燃焼室壁面への燃料噴霧の衝突がないことから、燃焼室壁面での液膜の形成や、消炎による排気の悪化も回避可能である。
【００３０】
また、点火栓１２により火花点火する位置が点Ｐよりも噴孔側の場合は、噴霧速度が火炎伝播速度よりも大きいので、火炎は噴孔から遠ざかる方向にのみ伝播し、点Ｑで点火した場合と同様に、火炎伝播速度と燃料供給速度とが釣り合う点Ｐで定在化する。これとは逆に点Ｐよりもシリンダ壁側の場合は、火炎は噴孔に近づく方向に伝播して点Ｐで定在化する。
【００３１】
このように、点火栓１２による点火位置と火炎面が定在する場所とが異なっていても、火炎面は噴霧速度と火炎伝播速度とが釣り合う位置に移動してから定在化するので、点火栓１２を設ける位置は、燃料噴霧に火花点火できる位置であればよく、燃料噴射弁１１からの距離を厳密に設定しなくてもよい。
【００３２】
図４（ａ）は図４（ｂ）の「噴霧断面」を説明するために燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧が周囲の空気を取り込む様子を模式的に表した図である。図４（ａ）に示すように、燃料噴射弁１１の燃料噴孔から距離ｘの位置にある噴霧断面の平均当量比をφｘとする。
【００３３】
図４（ｂ）は噴霧断面の平均当量比φｘ、噴霧距離、スモークレス燃焼（スモークやＣＯ等の排出ガス成分が生成されない燃焼）範囲の関係を表す図である。図４（ｂ）の縦軸は噴霧平均当量比φｘ、横軸は噴霧距離、斜線部分はスモークレス燃焼範囲を表したものである。
【００３４】
図４（ｂ）においては、噴霧距離がＳＬ１からＳＬ２までの間で、噴霧断面の平均当量比φｘがスモークレス燃焼範囲に収まる。このＳＬ１からＳＬ２までの間のように、噴霧断面の平均当量比φｘが２以下かつ希薄可燃限界以上となる噴霧距離を、スモークレス燃焼の成立距離とする。そして、スモークレス燃焼範囲のうち最も燃料噴孔に近い部分、すなわち噴霧断面の平均当量比φｘが２になる部分の噴霧距離をスモーク限界距離Ｌｓとする。
【００３５】
以上のことから、火炎定在距離Ｌｂがスモークレス燃焼の成立距離内になれば、ノッキングを生じず、かつスモークレス燃焼となる。
【００３６】
ところが、車両用エンジンの場合は、機関負荷や機関回転数等の運転条件が刻々と変化するので、火炎定在位置も刻々と変化することになる。また、シリンダのボア寸法が定まっているので、後述するように火炎面がシリンダ内に定在するようにしなければならない。
【００３７】
そこで、車両用エンジンにおいて混合気律則燃焼を行うために、以下に説明する制御を行うこととする。
【００３８】
なお、燃料噴射弁１１の噴孔の大きさは、後述する混合気律則燃焼を行うための制御によって、燃焼室内のいずれかの位置に、噴霧断面の平均当量比φｘが略２以下となる混合気が形成されるように設定する。例えば、機関負荷や機関回転数等の変化による筒内雰囲気の変化幅を予め求め、その変化幅の中でできるだけ広い範囲で平均当量比φｘを略２以下とすることができる大きさに設定する。
【００３９】
また、火炎伝播速度、すなわち噴射された燃料の燃焼速度は、筒内温度、筒内圧、筒内ガス流動、混合気濃度により変化する特性がある。具体的には図５に示すような関係がある。
【００４０】
図５（ａ）は燃焼速度と筒内温度との関係を表す図であり、縦軸に燃焼速度、横軸に筒内温度をとったものである。図に示すように、筒内温度が上昇するのに伴って燃焼速度も高くなる特性がある。
【００４１】
図５（ｂ）は燃焼速度と筒内圧力との関係を表す図であり、縦軸に燃焼速度、横軸に筒内圧力をとったものである。図に示すように、筒内圧力が上昇するのに伴って燃焼速度は低下する特性がある。
【００４２】
図５（ｃ）は燃焼速度と筒内ガス流動との関係を表す図であり、縦軸に燃焼速度、横軸に流動の強さをとったものである。図に示すように、流動が強くなるのに伴って燃焼速度も高くなる特性がある。なお、ここでいうガス流動とは、コントロールバルブ（筒内流動強化手段）を設けて意図的に生成するスワール流動やタンブル流動の他に、吸気ポート形状やバルブリフト量等が要因となって発生する流動も含むものである。
【００４３】
図５（ｄ）は燃焼速度と燃料噴射圧との関係を表す図であり、縦軸に燃焼速度、横軸に燃料噴射圧をとったものである。燃料噴射圧が高くなると同一噴射時間に噴射される燃料量が増加して混合気濃度がリッチ化するので、燃焼速度が高くなる。すなわち、燃料噴射圧の変化に伴って燃焼速度も変化することとなり、火炎面の定在する位置が変化することになる。しかし、混合気律則燃焼においては、火炎面が燃焼期間中常に一定の位置に定在している必要はなく、後述する条件を満たす範囲に定在していればよい。
【００４４】
ところで、本実施形態では、上述した混合気律則燃焼と、一般的な火花点火式エンジンにおいて用いられる均質燃焼とを、運転状態に応じて切換えて実行する。ここで、均質燃焼とは、運転状態に応じて定まる燃料量を吸気行程中に噴射し、圧縮行程中に筒内の空気と拡散混合（予混合）させ、圧縮上死点近傍で火花点火する燃焼モード（第１の燃焼モード）をいう。そして、本実施形態では、第１の燃焼モード実行中の機関低負荷状態において、一般的な火花点火式エンジンと同様に、ＥＧＲガスを導入する。これは、冷却損失及びポンプ損失の低減のためである。
【００４５】
ところで、ＥＧＲガスを導入すると、運転条件が図６に示す運転条件マップの運転点Ａから運転点Ｂへ変化する場合、例えば加速時のように負荷が低負荷から高負荷へと大きく変化する場合には、燃焼室内に残留ガス等が多くなるために、ノッキングが発生し易くなる。そこで、一般的にはノッキング回避のために、点火時期を遅角側へ補正する制御を実行する。この場合、出力の低下は避けられない。
【００４６】
ところが、混合気律則燃焼によれば、未燃混合気を発生させない噴霧燃焼が行われるためノッキングが発生せず、よって点火時期を遅角側に補正する必要がない。
【００４７】
そこで、通常は均質燃焼を行い、負荷が低負荷から高負荷へと変化する場合に混合気律則燃焼に切換えることとする。以下、図７を参照して具体的な制御ルーチンについて説明する。
【００４８】
図７はコントロールユニット１３が混合気律則燃焼を行なうために実行する制御ルーチンを表すフローチャートである。この制御ルーチンは一定期間毎に繰り返し行う。
【００４９】
ステップＳ１０００では、筒内温度、圧力、雰囲気密度を読み込む。具体的には前記各値を機関回転数及び負荷に割り付けたマップを作成しておき、回転数センサ１４やアクセル開度センサ１５等（運転状態検出手段）によって検出した回転数及び負荷を用いて前記マップを検索する。なお、筒内温度、圧力、雰囲気密度は、それぞれ圧縮上死点時の温度、圧力、雰囲気密度を指す。
【００５０】
ステップＳ１０１０では、ステップＳ１０００で読み込んだ雰囲気密度に基づいて、燃料噴霧の拡がり角度θを算出し、この噴霧拡がり角度θと燃料噴射弁の噴孔径とに基づいてスモーク限界距離Ｌｓを算出する。
【００５１】
雰囲気密度と噴霧拡がり角度θとの間には、図８（ａ）に示すように、雰囲気密度が高くなるほど噴霧拡がり角度も大きくなる特性がある。そこで、燃料噴射弁１１の仕様に基づいて、図８（ａ）のようなマップを予め作成しておき、ステップＳ１０００読み込んだ雰囲気密度で検索することによって燃料噴霧拡がり角度θを求める。そして、図８（ｂ）のようなマップを予め作成しておき、求めた燃料噴霧拡がり角度θから噴霧断面の平均当量比φｘ＝２となる距離と定義するスモーク限界距離Ｌｓを検索する。なお、噴霧断面の平均当量比φｘ＝２は、図４（ｂ）に示したとおり、スモークレス燃焼範囲の上限であり、燃焼火炎近傍の混合気濃度をこれ以下に保つことで、スモークの発生しない燃焼が成立する。
【００５２】
ステップＳ１０２０では、アクセル開度、バルブリフト量、スロットル開度等の変化速度から負荷の変更に必要な時間Ｔｓ（負荷変更必要時間）を算出し、負荷変更開始後の時間Ｔが負荷変更必要時間Ｔｓ以内であるか否かの判定を行う。ここで、Ｔ＞Ｔｓの場合、すなわち負荷の変更が終了している場合には、ステップＳ１１１０に進み、第１の燃焼モードを実行する。なお、第１の燃焼モードでは、空燃比をストイキよりもややリッチ側に設定する。
【００５３】
一方、Ｔ＜Ｔｓの場合、すなわち負荷が変更されている過渡状態である場合には、ステップＳ１０３０に進む。
【００５４】
ステップＳ１０３０では、スモーク限界距離Ｌｓがボア半径より小さいか否かの判定を行う。ボア半径の方が小さい場合には、第２の燃焼モードで火炎を燃焼室内に定在化させることができないので、ステップＳ１１１０に進み第１の燃焼モードを実行する。なお、ここで用いるシリンダボア半径とは、燃料噴孔からシリンダ壁面までの距離をいう。
【００５５】
ステップＳ１０３０でボア半径の方が大きいと判定した場合には、ステップＳ１０４０に進む。
【００５６】
ステップＳ１０４０では、燃圧の設定を行う。ここでは初期値として予め設定した値に設定する。
【００５７】
ステップＳ１０５０では、燃料噴霧の噴霧断面の平均流速Ｕｘを下式（１）により算出する。
【００５８】
【数１】
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ステップＳ１０６０では、ステップＳ１０００で読み込んだシリンダ内の状態量に基づいて、火炎伝播速度Ｓｔを算出する。
【００５９】
ステップＳ１０７０では、火炎定在距離Ｌｂ、すなわち燃料噴孔から火炎伝播速度Ｓｔと燃料噴霧の平均流速Ｕｘとが釣り合う位置までの距離を求める。
【００６０】
ステップＳ１０８０では、火炎定在距離Ｌｂがボア半径より小さいか否かの判定を行う。ボア半径の方が大きい場合には、ステップＳ１１２０で第２の燃焼モードに決定して処理を終了する。成立しない場合にはステップＳ１０９０に進む。
【００６１】
ステップＳ１０９０では、前回演算時に筒内のガス流動強化を行ったか否かの判定を行い、行っていない場合にはステップＳ１１００に進みガス流動を強化し、ステップＳ１０６０に戻る。ガス流動の強化としては、具体的には、ＳＣＶ５ａの開度を減じることにより、スワール流動を強化する。火炎伝播速度Ｓｔは図５（ｃ）に示した通り、スワール流動が強くなるにしたがって速くなるという特性があるためである。なお、スワール流動はシリンダー軸に対して軸対称の流動場を形成するため、燃焼室全体にムラのない乱れが生じ、全噴霧の燃焼速度が向上する効果が得られる。このため、マルチホールの燃料噴射弁１１との相性がよいという特徴がある。
【００６２】
ステップＳ１０９０で前回ガス流動強化を行っていると判定した場合には、ステップＳ１１１０に進み、ガス流動の強化に加えて燃圧の低下も行い、ステップＳ１０５０に戻る。
【００６３】
このように、ガス流動の強化だけでは火炎定在化距離Ｌｂがボア半径より小さくならず、再びステップＳ１０９０に進んだ場合には、ステップＳ１０９０で燃圧の低下も実行する。
【００６４】
なお、ステップＳ１１１０では、火炎定在化距離Ｌｂがボア半径より小さくなるという条件を満たす範囲内で最大燃圧となるようにフィードバック制御を行うことにより、当該条件を満たす範囲内において噴射パルスを最小とする。
【００６５】
なお、上記条件を満たす範囲内でできるだけ燃圧を高く、噴射パルスを小さくするのは、同一燃料量を噴射する場合に燃圧が高く、噴射パルス幅が小さい方が等容度を高まり、出力向上を図ることができるからである。
【００６６】
上記の制御ルーチンを繰り返し実行するので、第２の燃焼モードを実行していても、機関が目標トルクに達したら、ステップＳ１０２０での判定により第１の燃焼モードに移行することとなる。なお、目標トルクに達したら直ちに第１の燃焼モードに切換えるのではなく、目標トルクに達し、かつ定常状態となってから切換えるように負荷変化時間Ｔｓを設定してもよい。
【００６７】
図９は、上記制御ルーチンを実行した場合の一例について表したタイムチャートである。
【００６８】
図９に示すように、ｔ１以前の目標トルクが低い状態では、第１の燃焼モードで走行し、ｔ１で目標トルクが高くなり過渡状態となったら第２の燃焼モードに切換える。このとき、噴射時期は遅角化して圧縮行程噴射とし、第２の燃焼モード用に燃圧及び筒内ガス流動を強める。
【００６９】
その後、実際のトルクの上昇に伴って、燃圧及び筒内ガス流動をさらに強めることで燃焼性が確保されるので、噴射時期を徐々に遅角化し、等容度の低下を抑制する。
【００７０】
そして、ｔ２で実トルクが目標トルクに達したら、第１の燃焼モードに切換える。
【００７１】
上記のように、機関の運転条件に応じて変化する燃焼速度に合わせて、燃圧調整により燃料供給速度を、筒内流動により燃焼速度をそれぞれ制御することで、幅広い運転範囲で燃焼室の内部に燃焼火炎を定在化させる第２の燃焼モードを実行することができる。
【００７２】
また、上記条件の成立範囲内でできるだけ燃圧を高くすることで、燃焼期間を短縮でき、機関の出力性能と排気性能とを両立した第２の燃焼モードを実現することができる。
【００７３】
第１の燃焼モードである均質燃焼では、一般にノッキング回避のために空燃比をストイキよりもリッチ側に設定することが多いが、第２の燃焼モードではノッキング発生のおそれがないため、空燃比を概ねストイキに設定することができる。したがって、燃費性能の向上を図ることができる。
【００７４】
ところで、第２の燃焼モードが適用される過渡状態においては、高速演算が要求される。そこで、上述した制御ルーチンを実行することが困難な場合には、負荷の変化速度に対して各因子の制御方法を割り付けたマップを予め作成しておき、これを検索するようにしてもよい。
【００７５】
なお、ステップＳ１０００で読み込んだアクセル開度等から機関負荷の変化量および変化速度、つまり機関の加速状態を算出し（加速判定手段）、当該変化量及び変化速度に基づいてノッキング発生のおそれの有無を判定し、加速の度合が緩やかでありノッキング発生のおそれがないと判断した場合には第１の燃焼モードのみで運転するようにしてもよい。
【００７６】
また、過渡状態におけるノッキング等を確実に回避するためにアクチュエータ２５の応答速度を高めようとすると、アクチュエータ２５自体のサイズが大きくなる等、レイアウト上の問題が発生し、さらにアクチュエータ２５作動用のモータの消費電力が増加し、効率低下を招くおそれがある。しかしながら、上述したような制御により第２の燃焼モードを実行することにより、レイアウト性や効率が悪化する程度までアクチュエータ２５の応答速度を高める必要がなくなる。すなわち、アクチュエータ２５の小型化、消費電力の低減による効率の向上を実現することができる。
【００７７】
以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。
【００７８】
（１）第１の燃焼モードと第２の燃焼モードとを切り換えて運転可能な内燃機関の制御装置であって、機関負荷が低負荷から高負荷へ切り換わる運転状態では、第２の燃焼モードを実行するので、筒内に残留ガス等があるためにノッキングが発生し易い加速時等においても、ノッキングが発生するおそれがなく、そのため最適な点火時期による運転が可能となる。
【００７９】
（２）急加速時には第２の燃焼モードを、緩加速時には第１の燃焼モードを実行するので、急加速時には第２の燃焼モードにより確実にノッキング発生を回避し、かつノッキングのおそれがない緩加速時には第１の燃焼モードにより等容度の高い運転を行うことができる。
【００８０】
（３）少なくとも２つ以上の点火栓１２を備え、第２の燃焼モード実行中は、これら複数の点火栓１２により上死点近傍にて火花点火を行うことにより、燃料噴霧に対して確実に点火をすることができる。
【００８１】
（４）第２の燃焼モード実行中は、自己着火により燃焼を開始してもよく、この場合、点火栓１２を複数備える必要がなくなるので、レイアウト性が向上する。
【００８２】
（５）第１の燃焼モード実行中は、機関低負荷領域でＥＧＲガスを導入するので、冷却損失及びポンプ損失の低減により第１の燃焼モード中の燃費を向上させることができる。
【００８３】
第２実施形態について説明する。
【００８４】
本実施形態は、第１実施形態の構成に加えて、ピストン４の上死点位置を可変に制御し得る可変圧縮比機構を備える。可変圧縮比機構としては、例えば図１０に示すような機構が知られている。図１０は特開２００１−２２７３６７や特開２００２−６１５０１等に記載された機構であるため、機構の概略についてのみ説明する。
【００８５】
この機構において、ピストン４は、第１リンク２０および第２リンク２１を介してクランク軸２３に連結される。第１リンク２０と第２リンク２１とは連結ピン２６を介して連結されている。第２リンク２１は、中央をクランク軸２３のクランクピン２８に回転可能に締結され、クランク軸２３とともに回転する。また、第２リンク２１の第１リンク２０と反対側には、第３リンク２２が連結ピン２７を介して回転可能に締結され、第３リンク２２はコントロールシャフト２４に連結ピン２９を介して固定される。コントロールシャフト２４の中心軸と第３リンク２２の締結部は軸が偏心しており、コントロールシャフト２４が回転することにより、連結ピン２９が移動し、第２リンク２１の傾きが変わることにより第１リンク２０およびピストン４の上死点位置が変わる。コントロールシャフト２４は、モータ付きアクチュエータ（以下、単に「アクチュエータ」という）２５により回転させられる。
【００８６】
コントロールシャフト２４の回転による上死点位置の変化について、図１１を参照して説明する。図１１は各リンク、連結ピン及びコントロールシャフト２４の位置関係を模式的に表した図である。図１１の（ａ）はピストン４の上死点位置が高い、すなわち高圧縮比に設定した状態、（ｂ）はピストン４の上死点位置が低い、すなわち低圧縮比に設定した状態を表す。
【００８７】
コントロールシャフト２４を回転させることにより、連結ピン２９がコントロールシャフト２４の中心軸に対して低くなる方向に移動すると、連結ピン２７の位置も下がり、第２リンク２１はクランクピン２８を中心として図中時計回り方向に傾く。これによって連結ピン２６の位置は上昇し、ピストン４も上昇して、圧縮比が高まる。
【００８８】
逆に、連結ピン２９がコントロールシャフト２４の中心軸よりも高くなる方向に移動すると、連結ピン２７の位置も上がり、第２リンク２１はクランクピン２８を中心として図中反時計回り方向に傾く。これによって連結ピン２６の位置は低くなり、ピストン４も下降して圧縮比が低くなる。
【００８９】
なお、ピストン４、クランク軸２３及び第１〜第３のリンク２０〜２２の配置は、ピストン４のストローク特性が略単振動となるように設定されている。
【００９０】
すなわち、本実施形態のようなマルチリンクエンジンのピストン−クランク機構は、クランク中心からピストン上死点までの距離が同一、かつ、上死点から下死点までのピストンストローク量が同一の従来のピストン−クランクシャフト機構（単リンク式エンジン）のピストン−クランク機構に比べて、ピストン４の往復運動が単振動運動に近い特性となるよう、上死点と下死点におけるピストンストローク特性が略対称で、単リンク式エンジンのピストン−クランク機構に比べてピストン下死点前後のピストンストローク速度が大きく、かつピストン上死点前後のピストンストローク速度が小さくなるように、上死点前から上死点にかけて、及び下死点前から下死点にかけては単リンク式エンジンのピストン−クランク機構に比べてピストンを引き下げる方向に第２リンク２１が第３リンク２２の揺動によってクランクピン回りに揺動し、上死点から上死点後にかけて、及び下死点から下死点後にかけては単リンク式エンジンのピストン−クランク機構に比べてピストンを引き上げる方向に第２リンク２１が第３リンク２２の揺動によってクランクピン回りに揺動するように、各リンクや各支点のアライメントが設定されている。
【００９１】
図１２は、圧縮比設定及び燃焼モードを運転領域ごとに割り付けたマップである。図１２に示すように、低負荷ほど高圧縮比に設定され、負荷の上昇とともに圧縮比が低下し、最大負荷で最低圧縮比となるように設定する。また、低回転速度であっても機関負荷が高ければノッキングが発生し易いため、低圧縮比に設定する。
【００９２】
第１燃焼モードを実行するのは、低回転速度・中高負荷の領域であり、回転速度が低いほど、実行する領域が広くなっている。
【００９３】
ここで、加速時等で機関負荷が低負荷から高負荷まで変化する場合、例えば、運転点が図１２中の点Ａから点Ｄまで変化する場合について説明する。
【００９４】
可変圧縮比機構の圧縮比変更時間Ｔｄは、主にアクチュエータ２５の応答速度に依存するので、アクセル開度等から予測された要求負荷の変更時間Ｔｓよりも長くなる場合も生じる。例えば、図１３に示すように、点Ａから点Ｄまでの負荷変更時間Ｔｓが、圧縮比が目標圧縮比まで低下するまでの圧縮比変更時間Ｔｄよりも短い場合には、圧縮比が低下するまでの間は高圧縮比のままで高負荷運転が行われることとなり、ノッキングやプレイグが発生するおそれがある。特に、可変圧縮比機構の場合には、燃費向上等の目的で低負荷時の圧縮比を高く設定するので、負荷の上昇に対して圧縮比の変更が遅れると、負荷の上昇とともに激しいノッキングが発生することとなる。
【００９５】
一般的には、点火時期を遅角化することで、トルクの低下をできるだけ少なくしつつノッキング等を回避した運転を行う。しかしながら、可変圧縮比機構の場合には、上記のように激しいノッキングが発生し得るため、点火時期の遅角量をより大きくする必要がある。この結果、燃焼安定度が悪化し、場合によっては失火に至るおそれもある。また、排気温度が上昇することで触媒等が劣化するおそれもある。
【００９６】
ところで、本実施形態の可変圧縮比機構では、一般的なピストン−クランクシャフト機構に比べて、ピストンモーションが単振動に近づき、ピストン４は上死点近傍に長く留まる。すなわち、一般的なピストン−クランク機構に比べて等容度が向上する。そして第２の燃焼モードでは燃焼期間は噴射期間により定まるので、噴射量が多くなるほど第１の燃焼モードの方が等容度が高くなる。
【００９７】
そこで、本実施形態では、圧縮比の変更の応答遅れが生じ、ノッキング回避による点火時期の遅角量が大きくトルクと燃焼安定度が大幅に悪化する時間、すなわち圧縮比変更時間Ｔｄにおいてのみ、第２の燃焼モードを実行することとする。
【００９８】
図１４は、コントロールユニット１３が実行する制御ルーチンを表すフローチャートである。この制御ルーチンは一定期間毎に繰り返し行う。
【００９９】
ステップＳ２０００、Ｓ２０１０、Ｓ２０２０は図７のステップＳ１０００、Ｓ１０１０、Ｓ１０２０と同様なので説明を省略する。
【０１００】
ステップＳ２０２５では、ステップＳ２０２０で算出した負荷の変化量に基づいて圧縮比の変更に要する時間（圧縮比変更時間）Ｔｄを算出し、負荷変更時間Ｔｓと比較する。
【０１０１】
Ｔｄ＞Ｔｓの場合には、ステップＳ２１１０に進み第１の燃焼モードを実行する。
【０１０２】
Ｔｄ＜Ｔｓの場合には、ステップＳ２０３０に進む。ステップＳ２０３０以下は図７のステップＳ１０３０以下と同様なので説明を省略する。
【０１０３】
ただし、ステップＳ２０４０における燃圧の設定は、機関圧縮比が低下するほど燃圧が高くなるように設定する。
【０１０４】
図１５は上記制御を実行した場合のタイムチャートである。
【０１０５】
図９と同様にｔ１で第２の燃焼モードに切換える。すなわち、圧縮行程噴射とし、燃圧及び筒内ガス流動を強め、燃圧及び筒内ガス流動を実トルクの上昇に伴ってさらに強める。
【０１０６】
ところで、圧縮比が低下すると筒内温度及び密度が低下するため、燃焼性が低下する。そこで、燃圧及び筒内ガス流動を強めて燃焼に適した条件を作る他に、噴射時期を圧縮比の低下に伴って徐々に進角させることで、燃焼期間を長くするようにしている。
【０１０７】
なお、第２の燃焼モードについて、火花点火により燃料に着火する構成として説明したが、これに限られるわけではなく、自己着火により燃焼を開始する構成としてもよい。
【０１０８】
例えば、吸気行程中にパイロット噴射を行い、筒内に着火用混合気を形成する。パイロット噴射時の噴射量は、着火用混合気の空気過剰率λ＝２以上となるように設定する。このように希薄な混合気にすると、通常の点火栓１２による火花点火のみでは火炎が伝播しない。
【０１０９】
着火用混合気が形成されたら、圧縮行程中に点火栓１２により火花点火を行う。その後の圧縮により筒内全体の平均温度が上昇することで、脱水素反応等の燃料の分解反応が進む。さらに圧縮が進むことで、低温酸化反応によりホルムアルデヒドや一酸化炭素等の活性化学種、いわゆるラジカルが生成される。ここで見られる一連の過程は、予混合圧縮着火燃焼に代表される化学反応律則の燃焼である、ただし、ここではパイロット噴霧ではなく主噴霧を自己着火させることが目的であり、高温酸化反応による熱発生により圧力を上昇させて仕事に変換させる必要はないので、酸化反応が完結せずに部分酸化により反応が凍結している状態でよい。
【０１１０】
また、ピストンモーションによる温度上昇に加えて、点火栓１２による火花点火によって点火エネルギーを与えるので、より反応を促進させる効果を得ると共に、点火タイミングや点火エネルギーにより反応の進行度合を制御することができる。
【０１１１】
反応がある程度進行したところへ、燃料噴射弁１１により主噴射を行う。ここでの噴射量は、パイロット噴射時の噴射量を含めて全体で空燃比が１４から１２程度となるように設定する。主噴霧は微粒化と蒸発を伴いながら、高温の周囲空気と共に着火用混合気の反応により生成されたラジカルを噴霧内部へ取り込むことで、短時間にて着火に至る。ここで、燃料噴射弁１１がマルチホールタイプであれば、主噴霧は複数形成され、主噴霧が空気を取り込んで形成した混合気は、前述したラジカルによりほぼ同時期に着火することとなる。このため、点火栓１２による主噴霧への火花点火は不要となり、自己着火により燃焼が開始することとなる。
【０１１２】
なお、パイロット噴射においては、主噴射用のガソリンではなく、軽油を噴射するようにしてもよい。
【０１１３】
また、可変圧縮比可変機構は上述した機構に限られるわけではなく、吸気バルブ７の開閉時期を可変制御可能な可変動弁機構によって実圧縮比を変化させる機構であってもよい。
【０１１４】
以上により本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果に加えて、次のような効果も得ることができる。
【０１１５】
（１）可変圧縮比機構を備え、機関負荷が低負荷から高負荷へ切り換わる運転状態では、機関圧縮比を相対的に低下させるので、低負荷では相対的に高圧縮比に設定することによって出力を向上させ、高負荷では相対的に低圧縮比に設定することによってノッキングを回避することができる。また、第２の燃焼モード実行中に圧縮比を変化させるので、過渡運転時のノッキングを回避することができる。これにより、可変圧縮比機構の応答性を必要以上に高める必要がなくなり、アクチュエータの大型化や電気消費量の悪化を防ぐことができる。
【０１１６】
（２）第２の燃焼モード実行中は、第１の燃焼モード実行中に比べて筒内流動を強化し、かつ第２の燃焼モード実行中には圧縮比の低下に伴って筒内流動を強化するので、圧縮比が低下した場合にも燃焼速度の低下を抑制して、燃焼室内に火炎を定在化させることができる。
【０１１７】
（３）第２の燃焼モード実行中は、第１の燃焼モード実行中に比べて燃料噴射圧を高くし、かつ第２の燃焼モード実行中には圧縮比の低下に伴って燃料噴射圧を高めるので、燃焼速度及び燃料供給速度の双方が高まり、これにより圧縮比の低下に伴って筒内温度が低下しても、燃焼室内に火炎を定在化させることができる。
【０１１８】
（４）ピストンモーションが略単振動となるので、ピストン４が上死点付近に長時間保持されることとなる。これにより時間損失が小さくなり、第２の燃焼モードにおける燃焼効率の悪化を低減することができる。
【０１１９】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】（ａ）は本実施形態を適用するエンジンの構成図、（ｂ）は(ａ)のｂ−ｂ断面図である。
【図２】本実施形態を適用するエンジンの燃焼室の平面図である。
【図３】（ａ）は、燃料が噴射されてから点火、燃焼するまでの挙動を模式的に表した図であり、（ｂ）は燃料噴孔からの距離と燃料噴霧の速度の関係を表した図である。
【図４】（ａ）は燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が周囲の空気を取り込む様子を模式的に表した図、（ｂ）はスモークレス燃焼範囲と噴霧距離及び当量比との関係を表す図である。
【図５】（ａ）から（ｄ）は燃焼速度と筒内雰囲気との関係を表す図である。
【図６】運転条件マップである。
【図７】混合気律則燃焼を行なうために実行する制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図８】(ａ)は雰囲気密度と噴霧拡がり角度の関係を表す図、（ｂ）は燃料噴霧拡がり角度θからスモーク限界距離Ｌｓを検索するためのマップである。
【図９】第１実施形態を実行した場合のタイムチャートの一例である。
【図１０】可変圧縮比機構の一例を表す図である。
【図１１】(ａ)は高圧縮比状態のリンクの状態、（ｂ）は低圧縮比状態のリンクの状態を表す図である。
【図１２】圧縮比設定及び燃焼モードを運転領域ごとに割り付けたマップである。
【図１３】加速開始後の経過時間と負荷、圧縮比との関係を表す図である。
【図１４】第２実施形態の制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図１５】第２実施形態を実行した場合のタイムチャートの一例である。
【符号の説明】
【０１２１】
１    燃焼室
２    シリンダヘッド
３    シリンダブロック
４    ピストン
５    吸気通路
６    排気通路
７    吸気バルブ
８    排気バルブ
９    吸気カムシャフト
１０  排気カムシャフト
１１  燃焼噴射弁
１２  点火栓
１３  コントロールユニット
１４  回転数センサ
１５  アクセル開度センサ
【図１】
2009156191.tif 000004
【図２】
2009156191.tif 000005
【図３】
2009156191.tif 000006
【図４】
2009156191.tif 000007
【図５】
2009156191.tif 000008
【図６】
2009156191.tif 000009
【図７】
2009156191.tif 000010
【図８】
2009156191.tif 000011
【図９】
2009156191.tif 000012
【図１０】
2009156191.tif 000013
【図１１】
2009156191.tif 000014
【図１２】
2009156191.tif 000015
【図１３】
2009156191.tif 000016
【図１４】
2009156191.tif 000017
【図１５】
2009156191.tif 000018