特許 6769206 エンジンの制御方法及び制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6769206

(24)【登録日】2020年9月28日

(45)【発行日】2020年10月14日

(54)【発明の名称】エンジンの制御方法及び制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 43/00 20060101AFI20201005BHJP

   F02D 41/04 20060101ALI20201005BHJP

   F02D 23/02 20060101ALN20201005BHJP

【ＦＩ】

   F02D43/00 301B

   F02D43/00 301K

   F02D43/00 301N

   F02D43/00 301R

   F02D41/04

   !F02D23/02 B

【請求項の数】6

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-185372(P2016-185372)

(22)【出願日】2016年9月23日

(65)【公開番号】特開2018-48610(P2018-48610A)

(43)【公開日】2018年3月29日

【審査請求日】2019年3月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】特許業務法人後藤特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100075513

【弁理士】

【氏名又は名称】後藤 政喜

(74)【代理人】

【識別番号】100120260

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅昭

(74)【代理人】

【識別番号】100148231

【弁理士】

【氏名又は名称】村瀬 謙治

(74)【代理人】

【識別番号】100195914

【弁理士】

【氏名又は名称】紙谷 康史

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 宏之

【審査官】 三宅 龍平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０７９８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１２１５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０６２８０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ １／００ − ４５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

点火時期を可変制御する点火時期制御部と、
シリンダ内の体積効率を可変制御する体積効率制御部と、
を備えるエンジンの制御方法において、
無過給状態かつ理論空燃比で実行するストイキ燃焼モードから、過給状態かつ理論空燃比よりリーンな空燃比で実行するリーン燃焼モードへ切り替える際に、
切り替え前のトルクを維持しつつ、１サイクル中におけるシリンダ内圧力の最大値である最大筒内圧が予め設定した失火限界判定閾値以上を維持できる範囲内で点火時期の遅角または体積効率の低下の少なくとも一方を行う第１切替ステップと、
前記第１切替ステップの後に、空燃比を理論空燃比からリーン側へ変化させながら、点火時期の進角及び体積効率の上昇を行う第２切替ステップと、
を含み、
前記第１切替ステップで点火時期の遅角及び体積効率の低下を行う場合には、点火時期を遅角した後に体積効率の変化を開始し、かつ体積効率を変化させている間は点火時期を一定に維持する燃焼切替制御を実行することを特徴とするエンジンの制御方法。

【請求項2】

点火時期を可変制御する点火時期制御部と、
シリンダ内の体積効率を可変制御する体積効率制御部と、
を備えるエンジンの制御方法において、
無過給状態かつ理論空燃比で実行するストイキ燃焼モードから、過給状態かつ理論空燃比よりリーンな空燃比で実行するリーン燃焼モードへ切り替える際に、
切り替え前のトルクを維持しつつ、１サイクル中におけるシリンダ内圧力の最大値である最大筒内圧が予め設定した失火限界判定閾値以上を維持できる範囲内で点火時期の遅角または体積効率の低下の少なくとも一方を行う第１切替ステップと、
前記第１切替ステップの後に、空燃比を理論空燃比からリーン側へ変化させながら、点火時期の進角及び体積効率の上昇を行う第２切替ステップと、
を含み、
燃焼モード切替前の前記ストイキ燃焼モードでは排気再循環制御を実行し、燃焼モード切替後の前記リーン燃焼モードでは前記排気再循環制御を実行しない場合には、
前記第１切替ステップで点火時期の遅角を開始するのと同時に排気再循環率を低下させ、かつ点火時期を遅角させる速度を、燃焼モード切替後の前記リーン燃焼モードで前記排気再循環制御を実行しない場合に比べて遅くする燃焼切替制御を実行することを特徴とするエンジンの制御方法。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のエンジンの制御方法において、
前記エンジンは、シリンダ内に流入する空気の質量流量である空気流量を取得する空気流量取得部をさらに備え、
前記第１切替ステップで体積効率を低下させる場合には、取得した前記空気流量が一定になるように体積効率を低下させるエンジンの制御方法。

【請求項4】

請求項１から３のいずれかに記載のエンジンの制御方法において、
前記エンジンは吸気圧力を取得する吸気圧力取得部をさらに備え、
取得した前記吸気圧力が前記リーン燃焼モードにおける目標吸気圧に達したら、目標当量比をストイキからリーンに切り替えるとともに、前記第２切替ステップを開始する、
エンジンの制御方法。

【請求項5】

点火時期を可変制御する点火時期制御部と、
シリンダ内の体積効率を可変制御する体積効率制御部と、
を備えるエンジンの制御装置において、
１サイクル中におけるシリンダ内圧力の最大値である最大筒内圧を取得する筒内圧取得部と、
無過給状態かつ理論空燃比でのストイキ燃焼モードから、過給状態かつ理論空燃比よりリーンな空燃比でのリーン燃焼モードへ切り替える燃焼切替制御部と、を備え、
前記燃焼切替制御部は、切り替え前のトルクを維持し、かつ、前記最大筒内圧が予め設定した失火限界判定閾値以上を維持できる範囲内で点火時期の遅角または体積効率の低下の少なくとも一方を行う第１切替制御を実行し、
前記第１切替制御の後に、空燃比を理論空燃比からリーン側へ変化させながら、点火時期の進角及び体積効率の上昇を行う第２切替制御を実行し、
前記第１切替制御で点火時期の遅角及び体積効率の低下を行う場合には、点火時期を遅角した後に体積効率の変化を開始し、かつ体積効率を変化させている間は点火時期を一定に維持することを特徴とするエンジンの制御装置。

【請求項6】

点火時期を可変制御する点火時期制御部と、
シリンダ内の体積効率を可変制御する体積効率制御部と、
を備えるエンジンの制御装置において、
１サイクル中におけるシリンダ内圧力の最大値である最大筒内圧を取得する筒内圧取得部と、
無過給状態かつ理論空燃比でのストイキ燃焼モードから、過給状態かつ理論空燃比よりリーンな空燃比でのリーン燃焼モードへ切り替える燃焼切替制御部と、を備え、
前記燃焼切替制御部は、切り替え前のトルクを維持し、かつ、前記最大筒内圧が予め設定した失火限界判定閾値以上を維持できる範囲内で点火時期の遅角または体積効率の低下の少なくとも一方を行う第１切替制御を実行し、
前記第１切替制御の後に、空燃比を理論空燃比からリーン側へ変化させながら、点火時期の進角及び体積効率の上昇を行う第２切替制御を実行し、
燃焼モード切替前の前記ストイキ燃焼モードでは排気再循環制御を実行し、燃焼モード切替後の前記リーン燃焼モードでは前記排気再循環制御を実行しない場合には、
前記第１切替制御で点火時期の遅角を開始するのと同時に排気再循環率を低下させ、かつ点火時期を遅角させる速度を、燃焼モード切替後の前記リーン燃焼モードで前記排気再循環制御を実行しない場合に比べて遅くすることを特徴とする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、火花点火式エンジンの制御方法及び制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

エンジン回転速度やエンジン負荷といったエンジンの運転状態に応じて、無過給状態かつ理論空燃比で運転するストイキ燃焼モードと、過給状態かつ理論空燃比よりもリーンな空燃比で運転するリーン燃焼モードと、を切り換えるエンジンが知られている。このようなエンジンでは、燃焼モードを切り換える際に、エンジンの発生するトルクが変化することによって生じるトルク段差が生じ、運転性を悪化させるという問題があった。

【0003】

この問題を解消する方策として、特許文献１には、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切り替え時に、運転状態から定まる要求過給圧よりも低い目標過給圧を設定しておき、空燃比の変更に応じて点火時期を遅角し、実過給圧が目標過給圧に達したらその時点の点火時期を維持することが開示されている。点火時期を遅角するのは、過給圧の上昇に伴うトルクの増大を抑制するためである。しかし、点火時期を遅角すると排気温度が上昇し、過給圧の急激な上昇を招くこととなる。そこで、特許文献１では過給圧をモニタしながら点火時期を遅角し、目標過給圧に達したらその時点の点火時期を維持することで、過給圧の急上昇によるトルクショックを抑制している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許４３７５３８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記文献に記載の技術では、実過給圧が目標過給圧に達するまでは点火時期の遅角量が増大し続けることになる。このため、燃焼安定度が低下して振動等が発生したり、失火によりエンジンが停止したりするおそれがある。

【0006】

そこで、本発明では、トルクショックを抑制し、かつ燃焼安定度を確保しつつ、燃焼モードの切り替えを実行可能にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のある態様によれば、点火時期を可変制御する点火時期制御部と、シリンダ内の体積効率を可変制御する体積効率制御部と、を備えるエンジンの制御方法が提供される。この制御方法では、無過給状態かつ理論空燃比で実行するストイキ燃焼モードから、過給状態かつ理論空燃比よりリーンな空燃比で実行するリーン燃焼モードへ切り替える際に、まず、切り替え前のトルクを維持しつつ、１サイクル中におけるシリンダ内圧力の最大値である最大筒内圧が予め設定した失火限界判定閾値以上を維持できる範囲内で点火時期の遅角または体積効率の低下の少なくとも一方を行う第１切替ステップを実行する。そして、第１切替ステップの後に、空燃比を理論空燃比からリーン側へ変化させながら、点火時期の進角及び体積効率の上昇を行う第２切替ステップを実行する。この制御方法では、第１切替ステップで点火時期の遅角及び体積効率の低下を行う場合には、点火時期を遅角した後に体積効率の変化を開始し、かつ体積効率を変化させている間は点火時期を一定に維持する。或いは、この制御方法では、燃焼モード切替前のストイキ燃焼モードでは排気再循環制御を実行し、燃焼モード切替後のリーン燃焼モードでは排気再循環制御を実行しない場合には、第１切替ステップで点火時期の遅角を開始するのと同時に排気再循環率を低下させ、かつ点火時期を遅角させる速度を、燃焼モード切替後のリーン燃焼モードで排気再循環制御を実行しない場合に比べて遅くする。

【発明の効果】

【0008】

上記態様によれば、トルクショックを抑制し、かつ燃焼安定度を確保しつつ燃焼モードを切り替えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本実施形態を適用するエンジンの概略構成図である。

【図2】図２は、運転領域マップである。

【図3】図３は、第１実施形態の燃焼切替制御ルーチンのフローチャートである。

【図4】図４は、燃焼切替制御実行条件の成否を判定するサブルーチンのフローチャートである。

【図5】図５は、リーン燃焼領域か否かを判定するサブルーチンのフローチャートである。

【図6】図６は、リーン燃焼許可条件の成否を判定するサブルーチンのフローチャートである。

【図7】図７は、燃焼切替制御完了条件の成否を判定するサブルーチンのフローチャートである。

【図8】図８は、第１実施形態の燃焼切替制御を実行した場合のタイミングチャートである。

【図9】図９は、第２実施形態の燃焼切替制御ルーチンのフローチャートである。

【図10】図１０は、第２実施形態の燃焼切替制御を実行した場合のタイミングチャートである。

【図11】図１１は、第３実施形態の燃焼切替制御ルーチンのフローチャートである。

【図12】図１２は、第３実施形態の燃焼切替制御を実行した場合のタイミングチャートである。

【図13】図１３は、ＥＧＲ領域を示した運転領域マップである。

【図14】図１４は、第４実施形態の燃焼切替制御ルーチンのフローチャートである。

【図15】図１５は、第４実施形態の燃焼切替制御を実行した場合のタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付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。

【0011】

（第１実施形態）
図１は、エンジンシステム１の全体構成の説明図である。エンジン１００は、ターボ式過給機７を備える。ターボ式過給機７は、シャフト７ｃで接続されたコンプレッサ７ａとタービン７ｂを備える。コンプレッサ７ａはエンジン１００の吸気通路５１ａに配設される。タービン７ｂはエンジン１００の排気通路５２ａに配設される。これにより、タービン７ｂがエンジン１００の排気エネルギにより回転すると、コンプレッサ７ａも回転し、吸入空気を下流側に圧送する。

【0012】

エンジン１００は、少なくとも吸気側に、吸気バルブの開閉タイミングを変更する可変動弁機構（図示せず）を備える。

【0013】

また、エンジン１００は、クランク角センサ３７を備える。クランク角センサ３７は、エンジン１００におけるクランク角を検出する。クランク角センサ３７はコントローラ５０に接続され、コントローラ５０はエンジン１００のクランク角を取得することができる。これによりコントローラ５０は、例えば、エンジン１００の回転速度を求めることができる。

【0014】

また、コンプレッサ７ａの下流側におけるエンジン１００の吸気通路５１ａには、電子制御スロットル４１が設けられ、コントローラ５０によってスロットル開度が制御される。また、電子制御スロットル４１のさらに下流にはコレクタタンク４６が設けられる。コレクタタンク４６内には、空気冷却器３１ａが設けられる。空気冷却器３１ａには、冷却水を循環させるポンプ３１ｂとサブラジエータ３１ｃが接続され、これらで水冷インタークーラを構成する。

【0015】

吸気通路５１ｂからはリサーキュレーション通路３４が分岐し吸気通路５１ａに接続する。リサーキュレーション通路３４は、コンプレッサ７ａをバイパスする。リサーキュレーション通路３４には、リサーキュレーションバルブ３３が設けられ、その開閉がコントローラ５０によって制御される。リサーキュレーションバルブ３３の開閉が制御されることによって、コンプレッサ７ａの下流の過給圧が高くなりすぎないように調整される。

【0016】

また、コンプレッサ７ａの上流側の吸気通路５１ｂにはエアフローメータ３８が設けられる。エアフローメータ３８は、コントローラ５０に接続される。そして、コントローラ５０は吸気通路５１ｂを通過する吸気量を取得する。

【0017】

排気通路５２ａには、タービン７ｂをバイパスするバイパス通路が設けられる。そして、このバイパス通路の開閉を制御するウェストゲートバルブ１９が設けられている。ウェストゲートバルブ１９は、コントローラ５０によって、その開閉が制御される。なお、ウェストゲートバルブ１９は、図中等においてＷ／Ｇバルブと標記される場合もある。

【0018】

排気通路５２ｂには、排気浄化用の排気触媒４４、４５が設けられる。排気触媒４４にはＮＯｘトラップ触媒が、４５には三元触媒等が、それぞれ用いられる。

【0019】

吸気通路５１ｂと排気通路５２ｂは、ＥＧＲ通路５３を介して接続される。ＥＧＲ通路５３にはＥＧＲクーラー４３が設けられる。また、ＥＧＲ通路５３には、ＥＧＲバルブ４２が設けられる。ＥＧＲバルブ４２は、コントローラ５０に接続される。そして、エンジン１００の運転状態に応じて、コントローラ５０によりＥＧＲバルブ４２の開度が制御される。なお、ここでいう運転状態とは、エンジン１００の回転速度、負荷のことである。

【0020】

排気通路５２ｂにおいて、ＥＧＲ通路５３との接続部とエアフローメータ３８との間にはアドミッションバルブ３９が設けられる。アドミッションバルブ３９はコントローラ５０によってその開閉が制御され、吸気通路５１ｂと排気通路５２ｂとの間に差圧を作り出す。そして、この差圧によって、排気の一部をＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスとして排気通路５２ｂから吸気通路５１ｂに再循環させる。

【0021】

なお、アドミッションバルブ３９は、そのデフォルト状態において全開であり、コントローラ５０によって制御されることにより閉方向に操作される。

【0022】

また、アドミッションバルブ３９は排気通路５２ｂに比して吸気通路５１ｂを負圧にする制御に専従する。一方、ＥＧＲバルブ４２はＥＧＲガスの導入制御に専従する。ＥＧＲバルブ４２の制御は、エンジン１００の回転速度と負荷とで定まる運転状態毎にＥＧＲ率を割り付けたマップに基づいて行われる。当該マップについては後述する。以下、ＥＧＲバルブ４２及びアドミッションバルブ３９を制御することによりＥＧＲガスを吸気通路５１ｂに導入する制御を、ＥＧＲ制御という。

【0023】

コントローラ５０は、前述の各種センサ及び図示しないその他のセンサからの出力を読み込み、これらに基づいて点火時期、空燃比等の制御を行う。

【0024】

また、コントローラ５０は、無過給状態かつ目標空燃比が理論空燃比の状態で実行されるストイキ燃焼モードと、過給状態かつ目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態で実行されるリーン燃焼モードと、をエンジン１００の運転状態に応じて切り替えて実行する。なお、本実施形態においては、リーン燃焼モード実行中は空気過剰率λ＝２となるように目標空燃比を設定する。

【0025】

図２は、運転領域毎の燃焼モードを示す燃焼モードマップである。横軸の回転速度は、上述した通りクランク角センサ３７の検出値に基づいて算出する。縦軸の負荷は、例えばアクセルペダル開度センサで検出するアクセルペダル開度に基づいて算出する。

【0026】

図中のλ＝１の領域がストイキ燃焼モードを実行する領域（ストイキ燃焼領域ともいう）であり、λ＝２の領域がリーン燃焼モードを実行する領域（リーン燃焼領域ともいう）である。リーン燃焼領域は、低中回転速度・低中負荷領域の一部の領域である。つまり、リーン燃焼モードは、それほど大きな負荷が要求されない運転領域で実行される。

【0027】

なお、リーン燃焼モードにおいて過給状態にするのは、次の理由による。

【0028】

エンジン１００が発生するトルクは燃焼させる燃料量に依存するため、発生させるトルクが一定の場合には、空気過剰率のいかんにかかわらず、燃焼させる燃料量も一定になる。つまり、図２の運転点Ａにおけるトルクをλ＝２で発生させるためには、同トルクをλ＝１で発生させる場合に比べて、空気量を２倍にする必要がある。このように、リーン燃焼モードにおいては、無過給状態では必要な空気量が得られなくなるおそれがあるため、ターボ式過給機７による過給を行う。

【0029】

ところで、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切り替え時に、エンジン１００が発生するトルクの変化（トルクショック）が生じると、運転性が悪化してしまう。そこでコントローラ５０は、以下に説明する燃焼切替制御によって、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切り替え時におけるトルクショックを抑制する。

【0030】

図３は、燃焼切替制御のルーチンを示すフローチャートである。

【0031】

当該制御ルーチンは、まず、トルクを一定に維持したままターボ式過給機７の仕事量を増大させ、その後に目標空燃比を変更するものである。以下、ステップにしたがって詳細に説明する。

【0032】

ステップＳ１０００で、コントローラ５０は燃焼切替制御実行条件が成立するか否かを判定する。具体的には、図４に示すサブルーチンを実行することにより判定する。

【0033】

図４のステップＳ２０００で、コントローラ５０は、現在の運転点がリーン燃焼領域に含まれるか否か、及び、後述するリーン燃焼モード許可条件が成立しているか否かを判定する。コントローラ５０は、リーン燃焼領域であってリーン燃焼モード許可条件が成立している場合には、ステップＳ２０１０で燃焼切替制御実行条件が成立していると判断する。いずれか一方でも満たさない場合には、そのまま図４のサブルーチンを終了する。つまり、コントローラ５０は燃焼切替制御実行条件が成立していないと判断する。

【0034】

現在の運転点がリーン燃焼領域に含まれるか否かは、図５に示すサブルーチンにより判定する。コントローラ５０は、ステップＳ３０００において、エンジン１００の回転速度が所定範囲内、かつエンジン１００のトルクが所定範囲内であるという条件を満たすか否かを判定する。コントローラ５０は、当該条件を満たす場合はステップＳ３０１０にて現在の運転点がリーン燃焼領域に含まれると判定し、満たさない場合はそのまま本サブルーチンを終了する。ステップＳ３０００で用いる回転速度の所定範囲は、図２のＮＥ１〜ＮＥ２であり、トルクの所定範囲は、図２のＱ１〜Ｑ２である。具体的な数値は本実施形態を適用するエンジンの仕様毎に異なる。

【0035】

リーン燃焼モード許可条件が成立しているか否かは、図６に示すサブルーチンにより判定する。コントローラ５０は、ステップＳ４０００で環境条件が成立し、かつＮＯｘトラップ触媒４４のトラップ量が予め設定したトラップ限界未満であり、かつ関連システムに故障がない、という条件が成立するか否かを判定する。各条件の詳細については後述する。

【0036】

コントローラ５０は、当該条件が成立している場合にはステップＳ４０１０にてリーン燃焼許可条件が成立していると判定し、成立していない場合はそのまま本サブルーチンを終了する。

【0037】

ステップＳ４０００で行う判定の内容は以下の通りである。

【0038】

環境条件とは、車両が置かれた環境の気温や大気圧等である。例えば、いわゆる極低温や、高地のように気圧が低い環境下のように、リーン燃焼モードではエンジン１００の燃焼安定度を確保することが難しい環境がある。そこで、リーン燃焼モードでも燃焼安定度を確保できる環境条件を予め調べておき、当該条件を満たす場合に環境条件が成立していると判定する。

【0039】

トラップ限界は、ＮＯｘトラップ触媒４４の容量に応じて定まる値である。また、トラップ量は、種々の公知技術を用いて推定可能であり、例えば、エンジン１００の運転領域、排気温度、空燃比、空気流量等の履歴を用いて推定可能である。

【0040】

空燃比がリーンになるほどエンジン１００からのＮＯｘ排出量が増加するので、トラップ量がトラップ限界に達した状態でリーン燃焼モードを実行すると、ＮＯｘトラップ触媒４４でＮＯｘをトラップできない。一方、三元触媒４５は排気の空燃比が理論空燃比から外れると浄化効率が著しく低下する。すなわち、トラップ量がトラップ限界に達した状態でリーン燃焼モードを実行すると、車外に排出されるＮＯｘの量が増加してしまう。そこで、ＮＯｘトラップ量がトラップ限界未満であるか否かを判定する。

【0041】

関連システムとは、主にエンジン１００の運転に関連するシステムであり、例えば、ターボ式過給機７、ウェストゲートバルブ１９、可変動弁機構、燃料噴射に関連する機構、点火に関連する機構等である。これらが故障している場合には、適切な運転ができないので、それぞれのシステムについて、本実施形態とは別に故障判定が行われる。ステップＳ４０００では、それらの判定結果を読み込んで判定を行う。

【0042】

図３の説明に戻る。

【0043】

コントローラ５０は、ステップＳ１０００で燃焼切替制御実行条件が成立していると判定した場合はステップＳ１０１０の処理を実行し、そうでない場合は本ルーチンを終了する。

【0044】

ステップＳ１０１０で、コントローラ５０は燃焼切替要求フラグをセットする。

【0045】

ステップＳ１０２０で、コントローラ５０はウェストゲートバルブ１９を全閉にする閉弁制御を開始する。これは、ターボ式過給機７の仕事量を増大させるためである。

【0046】

ウェストゲートバルブ１９が全閉になったら、コントローラ５０はステップＳ１０３０で第１切替ステップとして点火時期の遅角を開始する。ターボ式過給機７の仕事量が増大すると、エンジン１００の吸入空気量が増加し、これに応じて理論空燃比になるよう燃料噴射を行うとトルクが増大してトルクショックが発生してしまう。一方、点火時期を遅角させると、燃焼効率が低下するためエンジン１００が発生するトルクは減少するとともに、排気温度が上昇することでターボ式過給機７の仕事量を増大させることができる。そこで、ステップＳ１０３０では、エンジン１００の発生するトルクが一定に保たれるように点火時期を遅角する。

【0047】

ステップＳ１０４０で、コントローラ５０は、最大筒内圧が予め設定した失火判定閾値より高いか否かを判定する。ここでいう最大筒内圧とは、１サイクル中におけるシリンダ内圧力の最大値である。最大筒内圧は、センサにより検知してもよいし、筒内に流入する空気量、燃料噴射量、空燃比、点火時期等に基づいて推定してもよい。失火判定閾値とは、予め設定した値であり、最大筒内圧がこれ以上低下すると失火するという値（失火限界）よりも、やや高い値が設定されている。失火限界はエンジンの仕様によって異なるので、本実施形態を適用するエンジン毎に実験等により求める。

【0048】

コントローラ５０は、ステップＳ１０４０で最大筒内圧が失火判定閾値より高い場合にはステップＳ１０５０の処理を実行する。そうでない場合には、コントローラ５０はステップＳ１１００において、燃焼切替制御を中止して、点火時期をストイキ燃焼モード用の設定値に戻す。このように、最大筒内圧が失火判定閾値まで低下した場合には燃焼切替制御を中止する、換言すると、最大筒内圧が失火限界判定閾値以上を維持できる範囲内で点火時期を遅角させるので、燃焼切替制御中に失火してしまうことを回避できる。

【0049】

コントローラ５０は、ステップＳ１０５０で点火時期の遅角を継続し、ステップＳ１０６０で、過給圧が目標過給圧に達したか否かを判定する。過給圧はセンサにより検出する。目標過給圧は、リーン燃焼モードで空気過剰率λ＝２を実現するために必要な過給圧であり、予め設定しておいた値である。

【0050】

コントローラ５０は、ステップＳ１０６０の判定結果が肯定的な場合はステップＳ１０７０でウェストゲートバルブ１９を全開にし、否定的な場合は本ルーチンを終了する。

【0051】

ステップＳ１０８０で、コントローラ５０は第２切替ステップとして点火時期及びバルブタイミングをリーン燃焼モード用の設定値に変更する。リーン燃焼モード用の点火時期は、ストイキ燃焼モード用の点火時期よりも進角側に設定される。同じくバルブタイミングは、吸気弁閉時期がストイキ燃焼モード用のバルブタイミングよりも進角側に設定される。ここで吸気弁閉時期を進角させるのは、体積効率を向上させるためである。体積効率とは、エンジンの燃焼済みの排気と未燃焼の吸気とを交換する能力を表す指標であり、空気取り入れ口における温度・圧力下での吸気量Ｖ１と、排気量Ｖ０との比であるＶ１/Ｖ０で表される。

【0052】

ステップＳ１０９０で、コントローラ５０は燃焼切替制御完了条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、図７に示すサブルーチンを実行する。

【0053】

図７のステップＳ５０００で、コントローラ５０は、空燃比が目標空燃比になっており、かつエンジン１００の発生するトルクが目標トルクになっており、かつ過給圧が目標過給圧になっている、という条件が成立しているか否かを判定する。コントローラ５０は、当該条件が成立している場合にはステップＳ５０１０で燃焼切替制御完了条件が成立したと判断し、そうでない場合にはそのまま本ルーチンを終了する。

【0054】

図７のサブルーチンにより燃焼切替制御完了条件が成立していると判定された場合には、コントローラ５０はステップＳ１１１０において燃焼切替要求フラグをクリアし、本ルーチンを終了する。

【0055】

図８は、上述した制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。

【0056】

タイミングＴ１で燃焼切替要求フラグがセットされたら（Ｓ１０００）、ウェストゲートバルブ１９が閉弁を開始し、タイミングＴ２でウェストゲートバルブ１９が全閉になる（Ｓ１０２０）。これに伴い、ターボ式過給機７の仕事量が増大するので、吸気圧力及びシリンダ空気質量流量が増大する。目標空燃比はストイキのままなので、シリンダ空気質量流量の増大に伴い、燃料流量（燃料噴射量）も増大する。

【0057】

また、タイミングＴ２では、点火時期の遅角が開始される（Ｓ１０３０）。これにより最大筒内圧が低下し始める。タイミングＴ３で吸気圧力が目標過給圧に到達したら、ウェストゲートバルブ１９の開弁と（Ｓ１０６０、Ｓ１０７０）、点火時期及びバルブタイミングのリーン燃焼モード用の設定値への変更と（Ｓ１０８０）、を開始する。なお、ウェストゲートバルブ１９の開度は、運転状態に基づいて定まるシリンダ空気質量流量の要求値に応じて制御される。

【0058】

そして、タイミングＴ４で燃焼切替制御完了条件が成立したら、燃焼切替要求フラグがクリアされる（Ｓ１０９０、Ｓ１１１０）。

【0059】

次に、上述した本実施形態による作用効果についてまとめる。

【0060】

本実施形態の燃焼切替制御は、無過給状態かつ理論空燃比で実行するストイキ燃焼モードから、過給状態かつ理論空燃比よりリーンな空燃比で実行するリーン燃焼モードへ切り替える制御である。そして、燃焼切替制御は、切り替え前のトルクを維持しつつ、最大筒内圧が予め設定した失火限界判定閾値以上を維持できる範囲内で、点火時期の遅角または体積効率の低下の少なくとも一方を行うステップ（第１切替ステップ）を含む。さらに、燃焼切替制御は、第１切替ステップの後に、空燃比を理論空燃比からリーン側へ変化させながら点火時期の進角または体積効率の向上の少なくとも一方を行うステップ（第２切替ステップ）を含む。第１切替ステップによれば、燃焼安定度を確保できる範囲内で、トルクを一定に維持しつつターボ式過給機７の仕事量を増大させることができる。そして、第１切替ステップの後に第２切替ステップを行うことにより、燃焼モードの切り替え途中における中間空燃比となる時間を短縮することができる。すなわち、本実施形態の燃焼切替制御によれば、燃焼安定度を確保しつつ、速やかにストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切り替えを行うことができる。

【0061】

また、本実施形態では、コントローラ５０は吸気圧力を取得する吸気圧力取得部としての機能も有し、吸気圧力がリーン燃焼モードにおける目標吸気圧に達したら、目標当量比をストイキからリーンに切り替えるとともに、第２切替ステップを開始する。これにより、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切り替えを、速やかかつ的確なタイミングで行うことができる。

【0062】

（第２実施形態）
第２実施形態にかかる燃焼切替制御は、上述した第１切替ステップの内容が第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

【0063】

図９は、第２実施形態に係る燃焼切替制御のルーチンを示すフローチャートである。図３と同内容のステップには、同じステップ番号を付してある。図９のルーチンで図３と異なるのは、図３のステップＳ１０３０−Ｓ１０５０に代えて、図９ではステップＳ１０３５を実行している点と、図３のステップＳ１１１０に相当するステップが無い点である。

【0064】

ステップＳ１０３５で、コントローラ５０は吸気弁閉時期を切替時用の設定値に制御する。具体的には、吸気圧力（過給圧）が上昇してもシリンダ空気質量流量が一定となるように、吸気弁閉時期を徐々に遅角させる。なお、シリンダ空気質量流量の取得には、種々の公知技術を適用することができ、例えば、エンジン回転速度、バルブタイミング、吸気圧力、吸気温度等に基づいて推定する。

【0065】

上述した通り、第１実施形態では、ターボ式過給機７の仕事量の増大によるトルク増大を抑制するために、点火時期を遅角させて燃焼効率を低下させている。これに対し第２実施形態では、吸気弁閉時期を遅角させることでエンジン１００の体積効率を低下させ、これによりターボ式過給機７の仕事量の増大によるトルク増大を抑制する。

【0066】

なお、吸気弁閉時期を遅角させた場合でも、点火時期はストイキ燃焼モードにおける点火時期、つまり最適点火時期のままなので、最大筒内圧はほぼ一定に維持される。このため、図３のステップＳ１０４０及びＳ１１００に相当するステップを省略している。

【0067】

図１０は、図９の制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。

【0068】

タイミングＴ１で燃焼切替要求フラグがセットされたら（Ｓ１０００）、ウェストゲートバルブ１９が閉弁を開始し、タイミングＴ２でウェストゲートバルブ１９が全閉になる（Ｓ１０２０）。これに伴い、ターボ式過給機７の仕事量が増大するので、吸気圧力が増大する。ただし、吸気弁閉時期が遅角することで体積効率が低下するので、シリンダ空気質量流量は一定に維持される。目標空燃比はストイキのままなので、燃料流量（燃料噴射量）も一定である。

【0069】

また、タイミングＴ２では、吸気弁閉時期の遅角が開始される（Ｓ１０３５）。これにより体積効率が低下するので、吸気圧（過給圧）が上昇してもシリンダ空気質量流量は一定に維持される。タイミングＴ３で吸気圧力が目標過給圧に到達したら、ウェストゲートバルブ１９の開弁と（Ｓ１０６０、Ｓ１０７０）、点火時期及びバルブタイミングのリーン燃焼モード用の設定値への変更と（Ｓ１０８０）、を開始する。なお、ウェストゲートバルブ１９の開度は、運転状態に基づいて定まるシリンダ空気質量流量の要求値に応じて制御される。

【0070】

そして、タイミングＴ４で燃焼切替制御完了条件が成立したら、燃焼切替要求フラグがクリアされる（Ｓ１０９０、Ｓ１１１０）。

【0071】

上述した通り、本実施形態では、コントローラ５０はシリンダ空気質量流量（シリンダ内に流入する空気の質量流量である空気流量）を取得する空気流量取得部としての機能も有する。そして、コントローラ５０は、第１切替ステップで吸気弁閉時期の遅角により体積効率を低下させる場合には、シリンダ空気質量流量がリーン燃焼モードにおける目標吸気流量に収束するよう吸気弁閉時期を遅角させる。このように、取得したシリンダ空気質量流量に基づいて吸気弁閉時期の制御をすることで、移行制御中の吸気弁閉時期を予め設定しておく必要がなくなる。すなわち、吸気弁閉時期を予め設定するための適合作業が必要なくなる。なお、本実施形態では体積効率を低下させるための手法として吸気弁閉時期の遅角を用いたが、これに限られるわけではない。例えば、電子制御スロットル４１の開度を減少させてもよいし、過給機や慣性過給による過給効果を低下させてもよい。

【0072】

（第３実施形態）
第３実施形態に係る燃焼切替制御では、上述した第１切替ステップとして、点火時期の遅角と吸気弁閉時期の遅角とを行う。以下、第１実施形態及び第２実施形態との相違点を中心に説明する。

【0073】

図１１は、第３実施形態に係る燃焼切替制御のルーチンを示すフローチャートである。図３と同内容のステップには、同じステップ番号を付してある。図３の制御ルーチンでは、ステップＳ１０４０の判定結果が否定的であった場合にステップＳ１１００の処理を実行するのに対し、図１１の制御ルーチンでは、後述するステップＳ１０４２及びステップＳ１０４４の処理を実行する。以下、この相違点を中心に説明する。

【0074】

コントローラ５０は、ステップＳ１０４０において最大筒内圧が失火判定閾値以下であると判定したら、ステップＳ１０４２において点火時期の遅角を中止し、その時点における点火時期に固定する。最大筒内圧は徐々に低下するので、最大筒内圧が失火判定閾値に達するのとほぼ同時にステップＳ１０４２の処理を実行することになる。これにより、最大筒内圧が失火限界よりも低くなって失火することを防止できる。

【0075】

そして、コントローラ５０は、ステップＳ１０４４において、第２実施形態と同様に吸気弁閉時期の遅角を開始してから、ステップＳ１０６０以降の処理を実行する。

【0076】

図１２は、図１１の制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。

【0077】

タイミングＴ１で燃焼切替要求フラグがセットされたら（Ｓ１０００）、ウェストゲートバルブ１９が閉弁を開始し、タイミングＴ２でウェストゲートバルブ１９が全閉になる（Ｓ１０２０）。これに伴い、ターボ式過給機７の仕事量が増大するので、吸気圧力及びシリンダ空気質量流量が増大する。目標空燃比はストイキのままなので、シリンダ空気質量流量の増大に伴い、燃料流量（燃料噴射量）も増大する。

【0078】

また、タイミングＴ２では、点火時期の遅角が開始される（Ｓ１０３０）。これにより最大筒内圧が低下し始める。

【0079】

タイミングＴ３で最大筒内圧が失火限界判定閾値まで低下したら、吸気弁閉時期の遅角を開始する。そして、タイミングＴ４で吸気圧力が目標過給圧に到達したら、ウェストゲートバルブ１９の開弁と（Ｓ１０６０、Ｓ１０７０）、点火時期及びバルブタイミングのリーン燃焼モード用の設定値への変更と（Ｓ１０８０）、を開始する。なお、ウェストゲートバルブ１９の開度は、運転状態に基づいて定まるシリンダ空気質量流量の要求値に応じて制御される。

【0080】

そして、タイミングＴ５で燃焼切替制御完了条件が成立したら、燃焼切替要求フラグがクリアされる（Ｓ１０９０、Ｓ１１１０）。

【0081】

上述した通り、本実施形態では、第１切替ステップで点火時期の遅角及び吸気弁閉時期の遅角を行う。そして、点火時期を遅角した後に吸気弁閉時期の遅角を開始し、かつ吸気弁閉時期を変化させている間は、点火時期を一定に維持する。点火時期の遅角によれば、シリンダ空気質量流量を減らすことなくエンジン１００のトルクを抑制できるので、ターボ式過給機７の仕事量を速やかに増大させることができる。一方、吸気弁閉時期の遅角によれば、燃焼安定度を低下させることなくエンジン１００のトルクを抑制できる。したがって、本実施形態のように、最大筒内圧が失火限界判定閾値に到達するまで点火時期の遅角を行い、その後に点火時期を一定に維持しつつ吸気弁閉時期の遅角を行うことで、失火を防止しつつターボ式過給機７の仕事量を速やかに増大させることができる。

【0082】

（第４実施形態）
第４実施形態に係る燃焼切替制御は、上述した第１切替ステップで点火時期の遅角を行う場合に、切替前のストイキ燃焼モード中にＥＧＲ制御を行っていたか否かに応じて、点火時期を遅角させる速度（以下、「遅角速度」ともいう）を変化させる点を特徴とする。

【0083】

図１３は、図２の運転領域マップにＥＧＲ制御を実行する領域（以下、「ＥＧＲ領域」ともいう）を付加したものである。ＥＧＲ領域内では、コントローラ５０は、回転速度及び負荷が高くなるほど高いＥＧＲ率となるようにＥＧＲバルブ４２及びアドミッションバルブ３９を制御する。

【0084】

ストイキ燃焼モードがＥＧＲ領域で行われている状態で燃焼切替制御を開始し、第１切替ステップとして点火時期を遅角させる場合を考える。

【0085】

ＥＧＲガスは基本的に不活性ガスとして作用するため、筒内の空気量に対するＥＧＲガス量の割合（以下、ＥＧＲ率ともいう）が高くなるほど、筒内の火炎伝播速度は低下する。換言すると、ＥＧＲ率が高いほど燃焼は不安定になる。したがって、点火時期を遅角させることで燃焼効率が低下すると、ＥＧＲ領域では非ＥＧＲ領域に比べて失火が生じ易くなる。

【0086】

そこで第４実施形態では、ＥＧＲ領域でストイキ燃焼モードを実行している状態で燃焼切替制御を開始する場合でも、失火することなくリーン燃焼モードへ切り替えるために、以下に説明する制御ルーチンを実行する。

【0087】

図１４は、第４実施形態に係る燃焼切替制御のルーチンを示すフローチャートである。図３、図１１と同内容のステップには、同じステップ番号を付してある。図１４の制御ルーチンは、ステップＳ１０２０とステップＳ１０３０との間に、ステップＳ１０２２とステップＳ１０２４とを実行する点と、ステップＳ１０３０で点火時期の遅角と併せてＥＧＲバルブ４２の閉弁を行う点と、が図１１の制御ルーチンと相違する。以下、これらの相違点を中心に説明する。

【0088】

ステップＳ１０２０でウェストゲートバルブ１９が全閉になったら、コントローラ５０はステップＳ１０２２でＥＧＲ率が０％より大か否か、つまり現在の運転領域がＥＧＲ領域か否かを判定する。この判定は、図１３の運転領域マップを用いて行う。コントローラ５０は、ＥＧＲ領域であればステップＳ１０２４の処理を実行し、非ＥＧＲ領域であればステップＳ１０２４をスキップしてステップＳ１０３０の処理を実行する。

【0089】

ステップＳ１０２４で、コントローラ５０は、点火時期の遅角速度を非ＥＧＲ領域で切替制御を実行する場合の遅角速度よりも低くなるように制限する。ＥＧＲガスの導入によって燃焼が不安定になっている状態で急激に燃焼効率を低下させると、失火する可能性が高まるので、失火を回避するために本ステップにおいて点火時期の遅角速度を制限する。失火を回避し得る遅角速度は、本実施形態を適用するエンジンの仕様毎に異なるので、実験等により予め調べてコントローラ５０に記憶しておく。なお、ステップＳ１０２２では点火時期の遅角を開始せず、点火時期を遅角させる際の遅角速度を設定するだけである。

【0090】

そして、コントローラ５０は、ステップＳ１０２４において点火時期の遅角速度を制限したら、ステップＳ１０３０において、点火時期の遅角を開始するとともに、ＥＧＲバルブ４２を全閉にし、ステップＳ１０４０以降の処理を実行する。

【0091】

図１５は、図１４の制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。

【0092】

タイミングＴ１で燃焼切替要求フラグがセットされたら（Ｓ１０００）、ウェストゲートバルブ１９が閉弁を開始し、タイミングＴ２でウェストゲートバルブ１９が全閉になる（Ｓ１０２０）。これに伴い、ターボ式過給機７の仕事量が増大するので、吸気圧力及びシリンダ空気質量流量が増大する。目標空燃比はストイキのままなので、シリンダ空気質量流量の増大に伴い、燃料流量（燃料噴射量）も増大する。

【0093】

また、タイミングＴ２では、点火時期の遅角とＥＧＲバルブ４２の閉弁が開始される（Ｓ１０３０）。点火時期の遅角により最大筒内圧が低下し始め、ＥＧＲバルブ４２の閉弁によりＥＧＲ率が低下し始める。点火時期の遅角速度は、非ＥＧＲ領域から切り替える場合よりも低く制限される。

【0094】

タイミングＴ３で最大筒内圧が失火限界判定閾値まで低下したら、吸気弁閉時期の遅角を開始する。そして、タイミングＴ４で吸気圧力が目標過給圧に到達したら、ウェストゲートバルブ１９の開弁と（Ｓ１０６０、Ｓ１０７０）、点火時期及びバルブタイミングのリーン燃焼モード用の設定値への変更と（Ｓ１０８０）、を開始する。なお、ウェストゲートバルブ１９の開度は、運転状態に基づいて定まるシリンダ空気質量流量の要求値に応じて制御される。

【0095】

そして、タイミングＴ５で燃焼切替制御完了条件が成立したら、燃焼切替要求フラグがクリアされる（Ｓ１０９０、Ｓ１１１０）。

【0096】

上述した通り、本実施形態の燃焼切替制御は、ＥＲＧ制御を実行中のストイキ燃焼モードからＥＧＲ制御を実行しないリーン燃焼モードへの切り替えるものである。この燃焼切替制御では、第１切替ステップで点火時期の遅角を開始するのと同時にＥＧＲ率を低下させ、かつ点火時期を遅角させる速度を、ＥＧＲ制御を実行しない場合に比べて遅くする。ＥＧＲ率が高いほど燃焼安定度は低くなるが、本実施形態によれば失火を防止することができる。

【0097】

なお、本実施形態では、ステップＳ１０２４においてＥＧＲ領域であればＥＧＲ率の大きさによらず点火時期の遅角速度を一律に制限しているが、ＥＧＲ率の大きさに応じて制限の度合いを変えてもよい。この場合、ＥＧＲ率が高いほど、遅角速度を低い速度に制限することとなる。

【0098】

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。

【符号の説明】

【0099】

１ エンジンシステム
７ ターボ式過給機
１９ ウェストゲートバルブ
４２ ＥＧＲバルブ
４４ 排気触媒（ＮＯｘトラップ触媒）
４５ 排気触媒（三元触媒）
５０ コントローラ
５３ ＥＧＲ通路
１００ エンジン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】