JP4462166B2 - 火花点火式ガソリンエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は火花点火式ガソリンエンジンの制御装置に関する。

一般に予混合圧縮自己着火燃焼（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ−Ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ。この明細書で「圧縮自己着火」という）を実行するに当たり、特許文献１に示すように、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒でリーン燃焼させた既燃ガスを吸気行程にある後続気筒にそのまま導入したり、特許文献２に示すように、所定の運転領域において、排気弁の閉弁タイミングと吸気弁の開弁タイミングとを変更することにより、既燃ガスを燃焼室に残留させる技術が知られている。特に、特許文献１には、圧縮自己着火を促進するために、少なくとも所定の低負荷側で圧縮上死点前に火花点火を実行する着火アシストが開示されている。

ところで、圧縮自己着火は、非特許文献１、２に示されているように、自発火（Ａｕｔｏｉｇｎｉｔｉｏｎ）という現象を意図的に発生させて、ＮＯｘの低減、およびポンピングロスの低減等を図る技術である。この自発火は、非特許文献１または２に記載されているように、スロー反応、多段反応、一段反応を段階的に有している。

スロー反応は、低圧力、低温（２００℃以下）の領域で生じ、通常のエンジンでは生じない。多段反応は、スロー反応が生じるよりも高温領域（約３００℃〜約４００℃の温度領域）において、比較的僅かな温度上昇で燃焼し、ホルムアルデヒドを生成する「冷炎」と、冷炎の後に比較的短時間発生し、急速に温度上昇してＣＯを生成する「青炎」と、青炎の後に発生し、急速に高温に変化する「熱炎」とを段階的に生じる燃焼反応である。一段反応は、多段反応よりも高温領域で生じる現象であり、着火後、直ちに熱炎を生じる現象である。

図１はイソオクタンの着火限界を示すダイアグラムである。

図１を参照して、同図のＬＲで示す領域（約３００℃〜約４００℃の温度領域）では、多段反応を起こして、冷炎が生じることにより、混合気が自発火する。他方、図１のＨＲで示すように、それ以外の高温／高圧領域では、一段反応を起こすことが知られている。
特開２００５−１０５９７４号公報 特開平１０−２６６８７８号公報 John B. Heywood著、 "Internal Combustion Engine Fundamentals" Ｐ．４６４−Ｐ．４６５ 長尾不二夫著、「内燃機関講義」第３次改著、株式会社養賢堂発行２００２年３月、Ｐ．１８０

上述したように、特許文献１には、着火アシストによって、圧縮自己着火を促進する技術が開示されている。しかしながら、従来の着火アシストが開発された時点では、着火アシストと多段反応現象との関係が詳らかではなかったので、多段反応現象が生じる低中温低負荷運転領域における着火アシストのタイミングを制御することが困難となり、図示平均有効圧力の変動率（この明細書で「ＣＯＶ（Coefficient Of Variability）」という）が高くなる傾向があった。この結果、燃焼安定性が悪化し、燃費や排気特性に悪影響を与
えていた。

本発明は上記不具合に鑑みてなされたものであり、多段反応現象が生じる運転領域において、燃焼安定性を可及的に向上することのできる火花点火式ガソリンエンジンの制御装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は、運転状態を判定する運転状態判定手段と、
判定された運転状態に基づいて、少なくともエンジンの部分負荷運転領域で圧縮自己着火燃焼を実行するＨＣＣＩ実行手段と、エンジンの部分負荷運転領域で圧縮自己着火燃焼を実行する際に着火アシストを実行する着火アシスト手段とを備え、前記着火アシスト手段は、多段反応が生じる運転領域において、圧縮行程の上死点前の圧縮行程後半に冷炎反応を促進させる第１の火花点火を実行し、この第１の火花点火の所定時間後に熱炎反応を促進させる第２の火花点火を実行する一方、前記冷炎反応を伴うことなく前記熱炎反応が生じる一段反応の発生運転領域では、前記第２の火花点火のみを実行するものであることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置である。この態様では、ＨＣＣＩ運転モードで圧縮自己着火運転が実行される際に、所定の低温（２００℃〜４００℃）運転領域において、第１の火花点火が実行されることにより、冷炎反応が促進され、ＣＯＶが大幅に低下する。次いで、第２の火花点火が実行されることにより、さらにＣＯＶが低下するとともに、熱炎反応が促進されることにより、確実な圧縮自己着火運転を実現することが可能になる。

また、前記着火アシスト手段は、一段反応が生じる運転領域では、前記第２の火花点火のみを実行する。これにより、一段反応が生じる比較的高負荷側の運転領域において、冷炎反応を促進する必要がなくなるので、無駄な火花点火を禁止し、着火アシスト手段の機構に対する影響や、燃焼特性の悪化を防止することが可能になる。

好ましい態様において、前記着火アシスト手段は、当該エンジンの回転数に拘わらず、圧縮上死点から所定時間前に、少なくとも前記第２の火花点火のタイミングを設定するものである。この態様では、ＣＯＶを低減する効果の大きい第２の火花点火がエンジンの回転数に拘わらず圧縮上死点から所定時間前に固定されたタイミングで実行されるので、多段反応が生じる運転領域においては、圧縮圧力が高い圧縮上死点付近での熱炎反応を促進し、圧縮自己着火を確実にしつつ、ＣＯＶを低減し、燃焼安定性の向上に寄与することが可能になる。すなわち、多段反応が生じている領域において、酸化反応が始まってから熱炎が生じるまでのいわゆる感応期間は、非特許文献２に開示されているように、個々の燃焼反応における着火遅れの総和であり、各着火遅れは、燃料特性と、温度と、圧力とに依存する関数であることから（非特許文献２、Ｐ．１７８〜Ｐ．１８２参照）、エンジンの回転数に拘わらず、着火タイミングを、圧縮上死点を基準にして時間で決定する方が、より好適な着火アシストタイミングに第１、第２火花点火を設定することが可能になるのである。

好ましい態様において、前記着火アシスト手段は、当該エンジンの回転数に拘わらず、圧縮上死点から所定時間前に前記第１、第２の火花点火のタイミングを設定するものである。この態様では、一層、好適な着火アシストタイミングに第１、第２火花点火を設定することが可能になる。

好ましい態様において、前記着火アシスト手段は、一段反応が生じる高負荷側の運転領域では、圧縮上死点近傍に前記第２の火花点火をリタードさせるものである。この態様では、一段着火によって発生した熱炎に対し、バックアップ点火を実行することになり、圧縮自己着火を確実にするとともに、圧縮上死点経過後の急速燃焼を促進することも可能になる。

好ましい態様において、前記着火アシスト手段は、燃焼安定性をモニタリングする燃焼安定性モニタリング手段を有し、検出された燃焼安定性が予め設定された基準に満たない場合には、第１、第２の火花点火を実行するものである。この態様では、着火アシストを実行する判別手段として、燃焼安定性を基準としているので、より好適な多段反応による燃焼特性を得ることができる。

以上説明したように、本発明においては、ＨＣＣＩ運転モードで圧縮自己着火運転が実行される際に、所定の低温（２００℃〜４００℃）運転領域において、冷炎反応と熱炎反応とが促進されることにより、確実な圧縮自己着火運転が実現されるとともに、大幅にＣＯＶを低下することが可能になる結果、多段反応現象が生じる運転領域において、燃焼安定性を可及的に向上することができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。

図２は、本発明の実施の一形態に係る制御装置１０の概略構成を示す構成図であり、図３は図２に係る４サイクルガソリンエンジン２０の一つの気筒の構造を示す断面略図である。

図２および図３を参照して、図示の制御装置１０は、４サイクルガソリンエンジン２０と、このエンジン２０を制御するためのコントロールユニット１００とを備えている。

エンジン２０は、クランクシャフト２１を回転自在に支持するシリンダブロック２２と、シリンダブロック２２の上部に配置されたシリンダヘッド２３とを一体的に有しており、これらシリンダブロック２２およびシリンダヘッド２３には、クランクシャフト２１の長手方向に並ぶ４つの気筒２４Ａ〜２４Ｄが形成されている。

各気筒２４Ａ〜２４Ｄには、コンロッド２５を介して前記クランクシャフト２１に連結された４つのピストン２６が嵌挿されている。本実施形態において、気筒列方向の一端側から第１気筒２４Ａ、第２気筒２４Ｂ、第３気筒２４Ｃ、第４気筒２４Ｄと呼ぶと、このピストン２６が各気筒２４Ａ〜２４Ｄ内にて昇降する行程は、表１に示すように、当該気筒２４Ａ〜２４Ｄの燃焼サイクルが、第１気筒２４Ａ、第３気筒２４Ｃ、第４気筒２４Ｄ、第２気筒２４Ｂの順になるように、クランク角で１８０°ずつの位相差が設定されている。

各気筒２４Ａ〜２４Ｄ内には、天井部が中央部分からシリンダヘッド２３の下端まで延びた２つの傾斜面を有するいわゆるペントルーフ型燃焼室２７が形成されている。この際、排気行程と吸気行程とが重なる２つ一組の気筒（第１気筒２４Ａと第２気筒２４Ｂ、第３気筒２４Ｃと第４気筒２４Ｄ）間において、本実施形態では、排気行程側の気筒（本実施形態ではこれを先行気筒と呼ぶ）２４Ａ、２４Ｄから吸気行程側の気筒（本実施形態ではこれを後続気筒と呼ぶ）２４Ｂ、２４Ｃへ既燃ガスをそのまま導くような配管構造が構成されている。そして、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの幾何学的圧縮比は、１４から１６の範囲に設定される一方、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃの幾何学的圧縮比は、１１から１２の間に設定される。

上述したように、先行気筒２４Ａ、２４Ｄから後続気筒２４Ｂ、２４Ｃへ既燃ガスをそのまま導くような配管構造を構成するに当たり、先行気筒２４Ａ、２４Ｄには、２つ一組の吸気ポート２８が形成されているとともに、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃには、吸気系統からの吸気を導入する一対の吸気ポート２８ａと、先行気筒２４Ａ、２４Ｄからの既燃ガスを導入する吸気ポート２８ｂがそれぞれ形成されている。他方、先行気筒２４Ａ、２４Ｄには、既燃ガスをそのまま排気系統に排出するための排気ポート２９ａと、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃへ既燃ガスを導くための排気ポート２９ｂがそれぞれ一つずつ形成されているとともに、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃには、既燃ガスをそのまま排気系統に排出するための排気ポート２９のみが一つずつ形成されている。また、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの排気ポート２９ｂは、気筒間ガス通路５４によって、対応する後続気筒（図示の例では、第１気筒２４Ａについては第２気筒２４Ｂ、第４気筒２４Ｄについては第３気筒２４Ｃ）の吸気ポート２８ｂと連通可能に接続されている。

さらに、各吸気ポート２８、２８ａ、２８ｂと、各排気ポート２９、２９ａ、２９ｂには、それぞれ吸気弁３０、３０ａ、３０ｂと、排気弁３１、３１ａ、３１ｂが設けられている。各吸気弁３０、３０ａ、３０ｂと、各排気弁３１、３１ａ、３１ｂは、カムシャフト３７、３８等を含む周知の動弁機構により、所定のタイミングで開閉するように駆動される。

各気筒２４Ａ〜２４Ｄの吸気弁３０、３０ａ、３０ｂと、排気弁３１、３１ａ、３１ｂには、それぞれ公知のタペットユニット３６が設けられている。タペットユニット３６は、シリンダヘッド２３に設けられた動弁機構のカムシャフト３７、３８のカム３７ａ、３８ａによって、周期的に駆動されるものである。

さらに、これらの各弁３０〜３０ｂ、３１〜３１ｂのうち、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの排気弁３１ａ、３１ｂと、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃの吸気弁３０ａ、３０ｂのタペットユニット３６には、各弁３０ａ〜３０ｂ、３１ａ〜３１ｂを作動状態と停止状態とに切り換える弁停止機構が設けられている。この弁停止機構の構造自体は、いわゆるロストモーション機構として従来から知られているため詳しい図示は省略する。

図では省略されているが、コントロールユニット１００には、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの排気弁３１ａと、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃの吸気弁３０ａのタペットユニット３６に作動油を供給する作動油回路のコントロール弁が出力要素として接続されているとともに、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの排気弁３１ｂと後続気筒２４Ｂ、２４Ｃの吸気弁３０ｂのタペットユニット３６に作動油を供給する作動油回路のコントロール弁が出力要素として接続されている。そして、各弁３０ａ、３０ｂ、３１ａ、３１ｂは、コントロールユニット１００によって、選択的に開閉されるよう構成されている。この結果、コントロールユニット１００は、エンジン２０を圧縮自己着火運転や、強制着火運転等の複数の運転モードを実行することが可能になっている。

次に、エンジン２０の吸気ポート２８、２８ａには、インテークマニホールド４２の分岐吸気管４３が接続している。分岐吸気管４３は、気筒２４Ａ〜２４Ｄ毎に設けられており、それぞれがインテークマニホールド４２に等長の吸気経路を形成した状態で接続されている。図示の実施形態において、各気筒２４Ａ〜２４Ｄの吸気ポート２８、２８ａは、それぞれクランクシャフト方向に沿って配設されており、前記分岐吸気管４３の下流端は、各気筒２４Ａ〜２４Ｄの吸気ポート２８、２８ａに対応して二股に形成されている。分岐吸気管４３の上流側合流部分には、開閉弁４４が設けられている。開閉弁４４は、三方電磁弁で具体化されたものであり、アクチュエータ４５によって、個別に分岐吸気管４３の集合部分を所望量だけ開閉できるように構成されている。

インテークマニホールド４２の上流側には、新気をインテークマニホールド４２内部に導入するための吸気通路４６が接続されている。この吸気通路４６には、スロットルバルブ４７が設けられている。

排気ポート２９には、各気筒２４Ａ〜２４Ｄに２つ一組で形成された二股状の分岐排気管５１が接続されている。各分岐排気管５１の下流端は、エキゾーストマニホールド５２に接続されている。このエキゾーストマニホールド５２には、既燃ガスを排出する排気通路５３が接続されている。この排気通路５３には、排気浄化のために三元触媒５５が設けられている。この三元触媒５５は、一般に知られているように、排気ガスの空燃比が理論空燃比（つまり空気過剰率λ＝１）付近にあるときにＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘに対して高い浄化性能を示す触媒である。

次に、インテークマニホールド４２、エキゾーストマニホールド５２の間には、排気された既燃ガスをインテークマニホールド４２に還流させる外部ＥＧＲシステム６０が設けられている。外部ＥＧＲシステム６０は、インテークマニホールド４２とエキゾーストマニホールド５２との間に形成された還流通路６１に接続され、ＥＧＲクーラ６２と、ＥＧＲ弁６３と、ＥＧＲ弁６３を駆動するアクチュエータ６４とを備えた公知のバルブシステムである。

次に、図３を参照して、燃焼室２７の側部には、コントロールユニット１００からの燃料噴射パルスを受けて、このパルス幅に対応する燃料を燃焼室２７に噴射する燃料噴射弁３２が設けられている。この燃料噴射弁３２は、図略のニードル弁及びソレノイドを内蔵し、コントロールユニット１００からパルス信号が入力されることにより、そのパルス入力時期にパルス幅に対応する時間だけ駆動されて開弁し、その開弁時間に応じた量の燃料を噴射するように構成されている。なお、この燃料噴射弁３２には図外の燃料ポンプにより燃料供給通路等を介して燃料が供給され、かつ、圧縮行程での燃焼室２７内の圧力よりも高い燃料圧力を与え得るように燃料供給系統が構成されている。

各気筒２４Ａ〜２４Ｄには、シリンダヘッド２３に固定され、燃焼室２７内にスパークを発する点火プラグ３４が配設されている。点火プラグ３４には、電子制御による点火タイミングのコントロールが可能な点火回路３５が接続されており、この点火回路３５がコントロールユニット１００に制御されることにより、点火プラグ３４は、点火制御されるようになっている。

図２を参照して、エンジン２０の運転状態を検出するために、吸気通路４６には、エアフローセンサＳＷ１が設けられ、開閉弁４４の下流には吸気温度Ｔを予測するための吸気温度センサＳＷ２（図３参照）が設けられている。また、シリンダブロック２２には、クランクシャフト２１の回転数を検出する回転数センサＳＷ３および冷却水の温度を検出するエンジン水温センサＳＷ４が設けられている（図３参照）。さらに、排気通路５３には、上述した三元触媒５５の上流側に設けられて空燃比を制御するための酸素濃度センサＳＷ５が設けられている。

エンジン２０には、制御手段としてのコントロールユニット１００が設けられている。このコントロールユニット１００には、エアフローセンサＳＷ１、吸気温度センサＳＷ２、回転数センサＳＷ３、エンジン水温センサＳＷ４、酸素濃度センサＳＷ５、エンジン負荷を検出するためのアクセル開度センサＳＷ６が入力要素として接続されている。これら各センサＳＷ１〜ＳＷ６は、何れも本実施形態における運転状態判定手段の具体例である。他方、コントロールユニット１００には、点火プラグ３４の点火回路３５、開閉弁４４のアクチュエータ４５、及びスロットルバルブ４７のアクチュエータが制御要素として接続されている。

コントロールユニット１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、インターフェース１０３並びにこれらのユニット１０１〜１０３を接続するバス１０４を有するものであり、メモリ１０２に記憶されるプログラム並びにデータによって、運転状態を判定する運転状態判定手段を機能的に構成している。

図４は、図２の実施形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定の一例を示す特性図である。

図４を参照して、図示の実施形態では、エンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎ１以下のＨＣＣＩ運転領域Ｄにおいて、圧縮自己着火運転を実行し、残余の領域では、火花点火による強制着火運転を実行するように設定されている。さらに、図４では示されていないが、図１で示したような燃焼特性に基づき、コントロールユニット１００のメモリ１０２には、圧縮自己着火運転を実行するＨＣＣＩ運転領域Ｄにおいて、着火アシストを必要とする着火アシスト運転領域と、バックアップ点火を実行するバックアップ点火運転領域と、着火アシストを要しない領域が設定されている。

図５は部分負荷運転領域における点火タイミングを示すタイミングチャートであり、（Ａ）は、低負荷時における多段反応領域（着火アシスト運転領域）の場合、（Ｂ）は高負荷時における一段反応領域（バックアップ点火運転領域）の場合をそれぞれ示している。

まず、図５（Ａ）を参照して、低負荷時における多段反応領域においては、酸化反応が開始されてから、所定時間経過後に青炎を伴う冷炎反応ＬＴＲが発生する。一般に冷炎反応と青炎反応とは、通常、識別が困難であることから、図示の例では、両者を併せて冷炎反応ＬＴＲとしている。この冷炎反応ＬＴＲが生じている間は、化学エネルギの５％〜１０％が遊離されるが、その燃焼生成物として多量のホルムアルデヒドが生成され、これが中間生成物としてさらに分枝連鎖反応（chain-branching reactions）に大きな役割を果
たすことになる。このホルムアルデヒドの分枝連鎖反応は、爆発性を有しており、いわゆる分枝連鎖爆発（chain-branching explosion）を引き起こして、青炎を生成する。この時点（冷炎反応ＬＴＲが生じる領域と熱炎反応ＨＴＲが生じる領域の境界）では、青炎によって、元の炭化水素は全てＣＯに酸化する。この青炎の発生時において、温度が充分高く、活性中心の濃度が充分に高ければ、熱炎ＨＴＲを発生し、炭化水素の酸化反応は最終段階に移行する。そこで、本実施形態では、このような多段反応を効果的に促進するために、圧縮行程の上死点前の圧縮行程後半に冷炎反応ＬＴＲを促進させる第１の火花点火Ｆ１を実行し、この第１の火花点火Ｆ１の所定時間後に熱炎反応ＨＴＲを促進させる第２の火花点火Ｆ２を実行するように設定されている。

第１の火花点火Ｆ１の点火タイミングＣＡ１としては、圧縮上死点前２０ｍｓｅｃから１５ｍｓｅｃが好ましい。また、第２の火花点火Ｆ２の点火タイミングＣＡ２としては、圧縮上死点前７ｍｓｅｃから５ｍｓｅｃの範囲が好ましい。これは本件発明者が鋭意研究の結果、ＣＯＶを低減するために好適な範囲として見出されたものである。

図６および図７は着火時期とＣＯＶとの関係を示すグラフであり、図６は第１の火花点火と第２の火花点火とを単独で実施した場合の測定結果、図７は第１の火花点火Ｆ１と第２の火花点火Ｆ２とを単独で実施した場合（Ｎ１〜Ｎ３）と連続して実施した場合（Ｎ２１〜Ｎ２３）におけるＣＯＶの変化を示す測定結果である。

図６、図７を参照して、図示の例において、Ｎ１〜Ｎ３は、それぞれ表２の条件で測定されている。

ＣＯＶは、５％以下が理想的であり、この範囲内であれば、燃焼安定性が高まり、燃費、耐ノック性、排気性能が極めて向上する。単発的な着火アシストの場合、図６、図７のＮ１〜Ｎ３で示すように、ＣＯＶは、エンジン速度や空燃比の条件によって少なからずばらついている。これに対して図７に示すように、第１の火花点火Ｆ１と第２の火花点火Ｆ２とを連続して実施した場合、Ｎ２１〜Ｎ２３で示すように、単独で実施した場合（Ｎ１〜Ｎ３）に比べて極めて良好なＣＯＶを得ることが可能であることが確認された。このような測定結果から、本実施形態では、図５（Ａ）に示すように、低負荷時の多段反応領域（すなわち、着火アシスト運転領域）においては、第１の火花点火Ｆ１と第２の火花点火Ｆ２とを所定タイミングで連続的に実行するようになっている。

次に、図５（Ｂ）を参照して、運転領域が一段反応領域である場合、クランク角度がＴＤＣに近づくと一段反応が生じて、冷炎はもはや存在しなくなる。そのような場合に図５（Ａ）のような着火アシストを複数回実行すると、却って燃焼特性が悪くなり、燃費や排気性能の低下が懸念されることとなる。そこで、本実施形態では、高負荷側にバックアップ点火運転領域を設定し、このバックアップ点火運転領域では、第２の火花点火Ｆ２のみを実行することとしている。さらに、本実施形態においては、このバックアップ運転領域が高負荷側にあるときには、図示の通り、第２の火花点火Ｆ２の点火タイミングＣＡ２を圧縮上死点付近（圧縮上死点後を含む）に設定している。これにより、熱炎反応ＨＴＲを促進し、熱発生率を圧縮上死点以降に高めて急速燃焼を実現し、燃費の向上を促進することが可能になる。

コントロールユニット１００は、メモリ１０２に記憶されている図４に対応する制御用マップに基づき、前記回転数センサＳＷ３及びアクセル開度センサＳＷ６等からの信号により調べられるエンジンの運転状態（エンジン回転数及びエンジン負荷）が何れの運転領域にあるかを判別するようになっている。そして、図５（Ａ）（Ｂ）に対応する制御マップに基づき、着火アシスト運転領域では、図５（Ａ）に示すタイミングで、バックアップ点火運転領域では、図５（Ｂ）に示すタイミングで、それぞれ点火回路３５を駆動するように構成されている。

他方、強制着火運転を実行する際は、各気筒２４Ａ〜２４Ｄにそれぞれ新気を導入させる各気筒独立状態とするように吸排気流通状態を変更すべくコントロールユニット１００が上述した各作動油回路のコントロール弁を駆動して、タペットユニット３６を制御するように構成されている。

また、コントロールユニット１００は、判定した運転状態に応じて燃料噴射弁３２からの噴射量及び噴射タイミングを制御する。

次に図８および図９を参照して、本実施形態の制御フローについて説明する。

図８および図９は本実施形態に係る制御フローのフローチャートである。

まず、図８を参照して、コントロールユニット１００は、上述した各入力要素からの信号に基づき、運転状態を判定し、現在の運転状態がＨＣＣＩ運転領域Ｄであるか否かを判定する（ステップＳ１００）。仮にＨＣＣＩ運転領域Ｄでない場合には、各気筒２４Ａ〜２４Ｄにそれぞれ新気を導入させる各気筒独立状態とするように吸排気流通状態を変更し、通常の強制着火運転モードに切り換え（ステップＳ１０１）、その後はステップＳ１００に移行する。

他方、ステップＳ１００において、ＨＣＣＩ運転領域Ｄであると判定された場合には、先行気筒２４Ａ、２４Ｄと後続気筒２４Ｂ、２４Ｃとを連通し、ＨＣＣＩ運転モードに移行する（ステップＳ１０２）。次いで、コントロールユニット１００は、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃの筒内圧力を推定し、筒内温度を検出することによって、運転状態が多段反応領域であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。この判定により、運転状態が多段反応領域であると判定された場合には、コントロールユニット１００は、現在のエンジン回転数Ｎとトルクτとを算出し（ステップＳ１０４）、算出されたエンジン回転数Ｎとトルクτとをそれぞれ目標エンジン回転数Ｎｔ、目標トルクτｔとして、メモリ１０２に記憶する。

次いで、コントロールユニット１００は、図示平均有効圧力を演算し、その変化をモニタすることにより、ＣＯＶを算出する（ステップＳ１０６）。ここで、演算されたＣＯＶが仮に５％を越える場合には、図５（Ａ）のタイミングチャートに基づく制御マップＭ１から、第１の火花点火Ｆ１と第２の火花点火Ｆ２の点火時期を設定し（ステップＳ１０８）、設定された点火時期でそれぞれ火花点火Ｆ１、Ｆ２を実行する（ステップＳ１０９）。

これにより、第１の火花点火Ｆ１が実行されることで、図５（Ａ）に示す冷炎反応ＬＴＲが促進され、さらに、第２の火花点火Ｆ２が実行されることで、熱炎反応ＨＴＲが促進され、確実に圧縮自己着火を実現することが可能になる。また、この圧縮自己着火においては、図７に示すように、ＣＯＶが大幅に低減され、燃焼安定性の高い圧縮自己着火運転を実現可能になる。

コントロールユニット１００は、各火花点火Ｆ１、Ｆ２後に再度、ＣＯＶを演算し、ＣＯＶが５％以下に低減したか否かを判定する（ステップＳ１１０）。仮にＣＯＶが安定しない場合、すなわち、５％を越えている場合には、ステップＳ１００に戻して、運転状態を判定させ、場合によってはＳＩ運転に切り換える。なお、別の実施形態としては、このステップ１１０でＣＯＶが５％を越えていると判定された場合に、ステップＳ１０８に戻って、再度、第１、第２の火花点火Ｆ１、Ｆ２による着火アシストが実行されるようにしてもよい。

ステップＳ１１０において、ＣＯＶが５％以下に低減したと判定される場合には、再度、エンジン回転数Ｎ、トルクτを算出する（ステップＳ１１１）。この算出は、着火アシストによって、エンジン２０の回転数Ｎやトルクτが、ステップＳ１０５で設定した目標エンジン回転数Ｎｔ、目標トルクτｔに対して変化しているか否かを検証するためのステップである。ステップＳ１１１の算出が終了すると、コントロールユニット１００は、各値Ｎ、τをそれぞれステップＳ１０５で設定した目標エンジン回転数Ｎｔ、目標トルクτｔと比較し（ステップＳ１１２、Ｓ１１３）、何れかの演算値Ｎまたはτが変動している場合には、所定の制御マップＭ２に基づいて燃料噴射量を設定し（ステップＳ１１４）、設定された燃料噴射量に基づいて燃料噴射量を変更する（ステップＳ１１５）。その後、制御はステップＳ１００に戻る。

次に、ステップＳ１０３において、ＨＣＣＩ運転領域Ｄではあるが、多段反応領域ではない場合のフローについて説明する。

図９を参照して、ＨＣＣＩ運転領域Ｄの主として高負荷側、或いは温間側では、一段反応が生じるため、この領域では、バックアップ点火が必要な運転状態であるか否かが判定される（ステップＳ１２１）。仮にバックアップ点火が不要であると判定された場合には、図８のステップＳ１００に復帰する。他方、バックアップ点火が必要であると判定された場合には、図５（Ｂ）のタイミングチャートに基づく制御マップＭ３に基づき、バックアップ点火のタイミングを設定し（ステップＳ１２２）、設定されたタイミングでバックアップ点火を実行する（ステップＳ１２３）。図５（Ｂ）に示すように、このバックアップ点火は、第２の火花点火Ｆ２を圧縮上死点の近傍で実行することにより実現されるものである。このバックアップ点火により、着火不良の場合の補償が確実となる。

以上説明したように、本実施形態においては、ＨＣＣＩ運転モードで圧縮自己着火運転が実行される際に、所定の低温（２００℃〜４００℃）運転領域において、第１の火花点火Ｆ１が実行されることにより、冷炎反応ＬＴＲが促進され、ＣＯＶが大幅に低下する。次いで、第２の火花点火Ｆ２が実行されることにより、さらにＣＯＶが低下するとともに、熱炎反応ＨＴＲが促進されることにより、確実な圧縮自己着火運転を実現することが可能になる。

また本実施形態では、当該エンジン回転数Ｎに拘わらず、圧縮上死点から所定時間前に、少なくとも前記第２の火花点火Ｆ２のタイミングを設定するものである。このため本実施形態では、ＣＯＶを低減する効果の大きい第２の火花点火Ｆ２がエンジン回転数Ｎに拘わらず圧縮上死点から所定時間前に固定されたタイミングで実行されるので、多段反応が生じる運転領域においては、圧縮圧力が高い圧縮上死点付近での熱炎反応ＨＴＲを促進し、圧縮自己着火を確実にしつつ、ＣＯＶを低減し、燃焼安定性の向上に寄与することが可能になる。

この点について詳述すると、多段反応が生じている領域において、酸化反応が始まってから熱炎が生じるまでのいわゆる感応期間は、個々の燃焼反応における着火遅れの総和であり、各着火遅れτ_d は、アレニウス（Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ）則により
τ_d =｛Ａ×ｅｘｐ（Ｂ／Ｔ）｝／Ｐ^C （１）
但し、Ａ、Ｂ、Ｃは、混合気に依存するパラメータ、Ｔは温度、Ｐは圧力
で演算可能であり、式（１）から明らかなように、燃料特性と、温度Ｔと、圧力Ｐとに依存する関数であることから、エンジン回転数Ｎに拘わらず、着火タイミングを、圧縮上死点を基準にして時間で決定する方が、より好適な着火アシストタイミングに第１、第２火花点火Ｆ１、Ｆ２を設定することが可能になるのである。

また本実施形態では、当該エンジン回転数Ｎに拘わらず、圧縮上死点から所定時間前に前記第１、第２の火花点火Ｆ１、Ｆ２のタイミングを設定するものである。このため本実施形態では、一層、好適な着火アシストタイミングに第１、第２火花点火Ｆ１、Ｆ２を設定することが可能になる。

また本実施形態では、一段反応が生じる運転領域では、図５（Ｂ）、図９で示したように、第２の火花点火Ｆ２のみを実行するものである。このため本実施形態では、一段反応が生じる比較的高負荷側の運転領域において、冷炎反応を促進する必要がなくなるので、無駄な火花点火を禁止し、着火アシスト手段を構成する点火プラグ３４に対する影響や、燃焼特性の悪化を防止することが可能になる。

また本実施形態では、一段反応が生じる高負荷側の運転領域では、圧縮上死点近傍に前記第２の火花点火Ｆ２をリタードさせるものである。このため本実施形態では、一段着火によって発生した熱炎に対し、バックアップ点火を実行することになり、圧縮自己着火を確実にするとともに、圧縮上死点経過後の急速燃焼を促進することも可能になる。

また本実施形態では、ＣＯＶの演算によって燃焼安定性をモニタリングし、検出された燃焼安定性が予め設定された基準に満たない場合には、第１、第２の火花点火Ｆ１、Ｆ２を実行するものである。このように本実施形態では、着火アシストを実行する判別手段として、燃焼安定性を基準としているので、より好適な多段反応による燃焼特性を得ることができる。

上述した実施形態は、本発明の好ましい具体例を例示したものに過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。

例えば、図６から明らかなように、運転条件によって、冷炎または熱炎のみを単発で着火アシストすることにより、充分にＣＯＶを降下させることが可能である。そのような場合には、多段反応が生じる運転領域においても、何れか一方の火花点火Ｆ１（Ｆ２）のみを実行する構成を採用してもよい。その場合であっても、冷炎反応ＬＴＲと熱炎反応ＨＴＲの少なくとも何れかが促進されることにより、確実な圧縮自己着火運転を実現することが可能になる。

また、圧縮自己着火の実現方法としても、上述のような気筒間ガス通路５４の切換による方法の他、いわゆるネガティブオーバラップ等による吸排気弁の開閉タイミングを切り換える方式を採用してもよい。

その他、本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

イソオクタンの着火限界を示すダイアグラムである。 本発明の実施の一形態に係る制御装置の概略構成を示す構成図である。 図２に係る４サイクルガソリンエンジンの一つの気筒の構造を示す断面略図である。 図２の実施形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定の一例を示す特性図である。 部分負荷運転領域における点火タイミングを示すタイミングチャートであり、（Ａ）は、低負荷時における多段反応領域（着火アシスト運転領域）の場合、（Ｂ）は高負荷時における一段反応領域（バックアップ点火運転領域）の場合をそれぞれ示している。 第１の火花点火と第２の火花点火とを単独で実施した場合の着火時期とＣＯＶとの関係を示すグラフである。 第１の火花点火と第２の火花点火とを連続して実施した場合の着火時期とＣＯＶとの関係を示すグラフである。 本実施形態に係る制御フローのフローチャートである。 本実施形態に係る制御フローのフローチャートである。

１０ 制御装置
２０ ４サイクルガソリンエンジン
２４Ａ、２４Ｂ 先行気筒
２４Ｃ、２４Ｄ 後続気筒
２７ 燃焼室
３２ 燃料噴射弁
３４ 点火プラグ（着火アシスト手段の一要素例）
３５ 点火回路（着火アシスト手段の一要素例）
１００ コントロールユニット（運転状態判定手段、ＨＣＣＩ実行手段、着火アシスト手段、燃焼安定性モニタリング手段の一例）
ＣＡ１ 点火タイミング
ＣＡ２ 点火タイミング
Ｄ ＨＣＣＩ運転領域（部分負荷運転領域）
Ｆ１ 第１の火花点火
Ｆ２ 第２の火花点火
Ｎ エンジン回転数
Ｎｔ 目標エンジン回転数
ＳＷ１ エアフローセンサ（運転状態判定手段の一要素例）
ＳＷ２ 吸気温度センサ（運転状態判定手段の一要素例）
ＳＷ３ 回転数センサ（運転状態判定手段の一要素例）
ＳＷ４ エンジン水温センサ（運転状態判定手段の一要素例）
ＳＷ５ 酸素濃度センサ（運転状態判定手段の一要素例）
ＳＷ６ アクセル開度センサ（運転状態判定手段の一要素例）

Claims (5)

1. 運転状態を判定する運転状態判定手段と、
   判定された運転状態に基づいて、少なくともエンジンの部分負荷運転領域で圧縮自己着火燃焼を実行するＨＣＣＩ実行手段と、
   エンジンの部分負荷運転領域で圧縮自己着火燃焼を実行する際に着火アシストを実行する着火アシスト手段と
   を備え、前記着火アシスト手段は、多段反応が生じる運転領域において、圧縮行程の上死点前の圧縮行程後半に冷炎反応を促進させる第１の火花点火を実行し、この第１の火花点火の所定時間後に熱炎反応を促進させる第２の火花点火を実行する一方、前記冷炎反応を伴うことなく前記熱炎反応が生じる一段反応の発生運転領域では、前記第２の火花点火のみを実行するものである
   ことを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
2. 請求項１記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
   前記着火アシスト手段は、当該エンジンの回転数に拘わらず、圧縮上死点から所定時間前に、少なくとも前記第２の火花点火のタイミングを設定するものであることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
3. 請求項２記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
   前記着火アシスト手段は、当該エンジンの回転数に拘わらず、圧縮上死点から所定時間前に前記第１、第２の火花点火のタイミングを設定するものであることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
   前記着火アシスト手段は、前記一段反応が生じる高負荷側の運転領域では、圧縮上死点近傍に前記第２の火花点火をリタードさせるものであることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
   前記着火アシスト手段は、燃焼安定性をモニタリングする燃焼安定性モニタリング手段を有し、検出された燃焼安定性が予め設定された基準に満たない場合には、第１、第２の火花点火を実行するものであることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
   

Images