火花點火式發動機的控制方法及火花點火式發動機的製作方法

2023-09-15 04:07:35

專利名稱：火花點火式發動機的控制方法及火花點火式發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及控制具備對形成於發動機主體的汽缸內的混合氣能夠進行火花點火的火花塞的火花點火式發動機的方法等。
背景技術：
以往，人們進行著為了抑制比火花點火的正常燃燒開始時期早地使混合氣發生自燃的現象的早燃(preignition)的控制方法的開發。在發生早燃時,隨著在早期開始燃燒，燃燒變得急劇化，其結果是有可能會使發動機噪聲變大，同時使發動機振動變大，從而引起活塞等的損傷。因此，需要確實避免發生早燃。例如，在日本特開2001-159348號公報中，公開有為了避免早燃而改變進氣門的閉閥時期的發動機的控制方法，以使有效壓縮比不超過規定的上限值。

發明內容
作為當有效壓縮比增加至其以上時發生早燃的閾值的有效壓縮比的上限值由非常多的環境條件決定，並且很難正確掌握隨著這些環境條件的變化而引起的所述上限值的全部變化。於是，在沒有適當地掌握該上限值的變化的情況下，有效壓縮比超出實際的上限值，有可能會發生早燃。本發明是鑑於上述情況而形成的，其目的是確實避免發生早燃。為了解決上述問題，本發明提供一種控制具備對形成於發動機主體的汽缸內的混合氣能進行火花點火的火花塞和能改變所述發動機主體的有效壓縮比的有效壓縮比改變單元的火花點火式發動機的方法，其中，包含根據發動機的轉速、負荷以及發動機運行的環境條件，推定作為不發生比火花點火引起的正常的燃燒開始時期早地使混合氣自燃的早燃的上限的有效壓縮比的極限有效壓縮比的極限有效壓縮比推定工序；計算當前有效壓縮比的有效壓縮比計算工序；計算作為裕度的從上述極限有效壓縮比中減掉有效壓縮比的值的裕度計算工序；以及在所述裕度小於預先設定的最小裕度的情況下，通過所述有效壓縮比改變單元降低所述發動機主體的有效壓縮比，以此使所述裕度達到所述最小裕度以上的有效壓縮比降低工序；上述最小裕度至少不隨著所述環境條件變化而設定為一定值。又，本發明提供一種具備對形成於發動機主體的汽缸內的混合氣能進行火花點火的火花塞和可以改變所述發動機主體的有效壓縮比的有效壓縮比改變單元以及控制所述有效壓縮比改變單元的動作的控制單元的火花點火式發動機，其中，所述控制單元根據發動機的轉速、負荷以及發動機運行的環境條件，推定作為不發生比火花點火引起的正常的燃燒開始時期早地使混合氣自燃的早燃的上限的有效壓縮比的極限有效壓縮比，並計算作為當前有效壓縮比的有效壓縮比，同時計算作為裕度的從上述極限有效壓縮比中減掉有效壓縮比的差值，並在所述裕度小於預先設定的最小裕度的情況下，使所述有效壓縮比改變單元動作，降低所述發動機主體的有效壓縮比，以此使所述裕度達到所述最小裕度以上；上述最小裕度至少不隨著所述環境條件變化而設定為一定值。
在這樣的發明中，在發動機的轉速及負荷的基礎上，還根據環境條件推定不發生早燃的上限值的極限有效壓縮比，並且當前有效壓縮比維持在比從該極限有效壓縮比減掉最小裕度的值小的值。因此，可以對應於環境條件以更高的精度推定極限有效壓縮比，即使在該推定中產生誤差的情況下，也能將有效壓縮比確實抑制在極限有效壓縮比以下，從而確實避免早燃。而且，由於作為有效壓縮比相對於極限有效壓縮比的裕度的最小值的最小裕度不隨著環境條件變化而保持一定值，因此即使環境條件發生變化也能確實保證規定的裕度。在這裡，本發明人發現在上述環境條件中燃料的辛烷值、進氣的溫度及冷卻水的溫度對早燃的發生可能性帶來大的影響。因此，在本發明的火花點火式發動機的控制方法中，最好是在所述極限有效壓縮比推定工序中至少根據包含於上述環境條件的供給至汽缸內的燃料的辛烷值、吸入至汽缸的進氣的溫度及用於冷卻所述發動機主體的冷卻水的溫度推定所述極限有效壓縮比。又，在本發明的火花點火式發動機中，最好是所述控制單元至少根據包含於上述環境條件的供給至汽缸內的燃料的辛烷值、吸入至汽缸的進氣的溫度及用於冷卻所述發動 機主體的冷卻水的溫度推定所述極限有效壓縮比。在本發明的火花點火式發動機的控制方法中，最好是所述有效壓縮比改變單元能改變設置於所述發動機主體的進氣門的閉閥時期；在所述有效壓縮比降低工序中，通過改變所述進氣門的閉閥時期，降低所述發動機主體的有效壓縮比。又，在本發明的火花點火式發動機中，最好是所述有效壓縮比改變單元能改變設置於所述發動機主體的進氣門的閉閥時期；所述控制單元在所述裕度小於預先設定的最小裕度的情況下通過所述有效壓縮比改變單元改變所述進氣門的閉閥時期。這些形態不同於例如通過改變活塞的行程量降低發動機的幾何壓縮比本身的情況，可以用更簡單地結構降低有效壓縮比。在本發明的火花點火式發動機的控制方法中，最好是至少在設定於發動機溫態下的低旋轉且高負荷區域的特定運行區域中實施所述有效壓縮比降低工序。又，在本發明的火花點火式發動機中，最好是所述控制單元至少在設定於發動機溫態下的低旋轉且高負荷區域的特定運行區域中使所述有效壓縮比改變單元動作，降低所述發動機主體的有效壓縮比。根據這樣的形態，在由於汽缸內部容易變成高溫 高壓化且燃料暴露於這樣的環境下的實際時間(受熱期間)變長而最容易發生早燃的運行條件下，可以適當地監視有無早燃，因此可以抑制早燃。在本發明的火花點火式發動機的控制方法中，最好是在上述特定運行區域中在比壓縮上死點滯後的正時通過所述火花塞對混合氣進行火花點火。又，在本發明的火花點火式發動機中，最好是上述控制單元在上述特定運行區域中在比壓縮上死點滯後的正時通過所述火花塞對混合氣進行火花點火。根據這樣的形態，在比壓縮上死點位於滯後側開始燃燒時，可以降低汽缸內的溫度，抑制早燃的發生，同時由於在點火後的燃燒過程中難以發生未燃混合氣(尾氣)的自燃，因此可以有效抑制爆震的發生。在本發明的火花點火式發動機的控制方法中，最好是使用能向汽缸內噴射燃料的噴射器；並在所述特定運行區域中，實施在設定於壓縮工序中的後期噴射正時從所述噴射器向汽缸內噴射燃料的後期噴射，同時實施在設定於比所述後期噴射正時位於提前側的正時從所述噴射器向汽缸內噴射燃料的前期噴射。又，在本發明的火花點火式發動機中，最好是具備能向汽缸內噴射燃料的噴射器；所述控制單元能控制所述噴射器的動作，在所述特定運行區域中，在設定於壓縮工序中的後期噴射正時從所述噴射器向汽缸內噴射燃料，同時在設定於比所述後期噴射正時位於提前側的正時從所述噴射器向汽缸內噴射燃料。根據這樣的形態，由於通過在壓縮行程中噴射的燃料的汽化潛熱可有效冷卻汽缸內部，因此在最容易發生早燃的運行條件下可預先抑制早燃。又，在本發明的火花點火式發動機的控制方法中，最好是使用能檢測所述早燃的檢測單元；在通過所述檢測單元檢測到早燃的情況下，包含通過上述有效壓縮比改變單元將所述發動機主體的有效壓縮比降低規定量的早燃停止用有效壓縮比降低工序和從實施 上述早燃停止用有效壓縮比降低工序開始到完成上述發動機主體的有效壓縮比的降低之前的過渡期內使基於從上述噴射器噴射的燃料的汽缸內的空燃比暫時變濃的過渡控制工序。又，在本發明的火花點火式發動機中，最好是具備能檢測所述早燃的檢測單元；所述控制單元在通過所述檢測單元檢測到早燃的情況下，通過上述有效壓縮比改變單元將所述發動機主體的有效壓縮比降低規定量，同時在開始降低該有效壓縮比至完成該降低之前的過渡期內，使基於從上述噴射器噴射的燃料的汽缸內的空燃比暫時變濃。根據這樣的形態，在意外發生早燃的情況下，也可以通過降低有效壓縮比停止早燃。而且，有效壓縮比降低之前的過渡期內，在濃(X > I)的環境下可以適當地降低汽缸內溫度，同時在完成有效壓縮比的降低之後立即恢復(入=1附近)，從而可以儘可能地在短時間內結束濃狀態下的燃燒。如上所述，根據本發明的火花點火式發動機及其控制方法，可以確實避免發生早燃。


圖I是示出根據本發明的一實施形態的發動機的整體結構的 圖2是用於說明上述發動機具備的離子電流傳感器的結構的示意 圖3是示出上述發動機的控制系統的框 圖4是容易發生早燃的特定運行區域的說明 圖5是用於說明早燃的檢測方法的 圖6是示出在上述特定運行區域中實施的控制動作的流程 圖7是示出包含於圖6的流程圖中的早燃停止控制的具體內容的子程序；
圖8是示出燃料的噴射時期的圖，圖8 (a)示出通常時候的噴射時期，圖8 (b)示出在特定運行區域中的噴射時期；
圖9是以時序示出早燃停止控制的動作示例的時序 圖10是示出早燃裕度維持控制的控制結果示例的圖。
具體實施例方式( I)發動機的整體結構
圖I是示出根據本發明的一實施形態的發動機的整體結構的圖。該圖所示的發動機是以汽油作為燃料的火花點火式的多汽缸汽油發動機。該發動機具有發動機主體I，該發動機主體I包含具備有在與紙面正交的方向排列的多個汽缸2 (圖中僅顯示其中的一個)的汽缸體3和設置於汽缸體3上的汽缸蓋4。並且，該發動機是車載用發動機，且作為驅動車輛的動力源配設於圖外的發動機室中。在上述發動機主體I的各汽缸2中可往復式滑動地插入有活塞5。活塞5通過連杆8連接於曲軸7。曲軸7響應於上述活塞5的往復運動繞其中心軸旋轉。在上述汽缸體3中設置有將上述曲軸7的轉速作為發動機的轉速進行檢測的發動機轉速傳感器30。
在上述活塞5的上方形成有燃燒室6。進氣道9及排氣道10在燃燒室6上有開口。在汽缸蓋4上分別設置有開閉進氣道9、排氣道10的進氣門11及排氣門12。進氣門11及排氣門12分別通過包含有配設於汽缸蓋4的一對凸輪軸(圖示省略)等的閥動機構13、14與曲軸7的旋轉連動並進行開閉驅動。用於上述進氣門11的閥動機構13包含VVT 15。VVT 15是稱為可變氣門正時機構(Variable Valve Timing Mechanism)的裝置,可變地設定進氣門11的動作正時。包含作為進氣門11的實際關閉時期的實閉時期IVC_r的進氣門11的動作正時，通過設置於VVT15的凸輪角傳感器38檢測。作為上述VVT 15，多種形式的裝置已被實用化並已公知，例如可以將液壓式的可變機構作為上述VVT 15應用。並且，雖然圖示省略，但是該液壓式的可變機構具有與進氣門11用的凸輪軸同軸配置的從動軸以及在凸輪軸和從動軸之間以周向排列配置的多個液室。這些各液室之間形成有規定壓力差，從而在上述凸輪軸和從動軸之間形成有相位差。於是，該相位差設定為在規定角度範圍內可變，從而進氣門11的動作正時連續地變化。又，作為上述VVT 15，也可以設置通過改變氣門升程量來改變進氣門11的關閉時期的類型的可變機構。並且，也可以將該升程式可變機構和上述相位式可變機構組合應用。在上述發動機主體I的汽缸蓋4上,對於各個汽缸2設置有一組火花塞16及噴射器18。上述噴射器18設置為從進氣側的側方面向燃燒室6，並由其前端部噴射從圖外的燃料供給管供給的燃料(汽油)。從上述噴射器18向燃燒室6噴射燃料時，噴射的燃料與空氣混合，在燃燒室6中生成具有期望的空燃比的混合氣。上述火花塞16設置為從上方面向燃燒室6,且響應於圖外的點火電路的供電從前端部放電並產生火花。在規定的正時從上述火花塞16放電並產生火花時，以此混合氣開始燃燒。上述火花塞16中內設有用於檢測燃燒室6中混合氣燃燒而生成的火焰的離子電流傳感器34。如圖2所示，該離子電流傳感器34將規定的偏置電壓(例如100V左右)施加於火花塞16的電極，以此檢測在上述電極周圍形成火焰時生成的離子電流。在本實施形態中，利用該離子電流傳感器34檢測有無早燃。具體是，由後述ECU 40的早燃判定手段根據離子電流傳感器34的檢測值判斷有無早燃。
早燃是指燃燒室6的溫度及壓力過度上升等原因引起的比火花點火的正常燃燒開始時期早地使混合氣發生自燃的異常燃燒現象。在早燃中，燃燒隨著早期混合氣的自燃而變得急劇化。由此，發動機噪聲變得相當大，同時發動機振動變大，從而有可能會出現活塞等的損傷。於是，如後文所述，在本發動機中實施控制以避免發生早燃，同時利用該離子電流傳感器34檢測有無早燃，在檢測出早燃的時候實施迅速停止早燃的控制措施。根據圖5的圖表具體說明利用上述離子電流傳感器34的早燃的檢測方法。該圖表中，實線的波形JO示出混合氣因火花點火IG而正常燃燒的情況下的熱釋放率的分布(時間變化)。並且，點劃線Jl示出發生早燃時的熱釋放率的分布。從正常燃燒時的波形JO可知，在正常燃燒時，用火花塞16進行火花點火時，通常從火花點火起在規定的延遲時間之後開始燃燒。因此，燃燒進行至用離子電流傳感器34能檢測到火焰的程度的時間點(實質性的燃燒開始時期)t0比火花點火IG的時間點延遲規定的曲軸角。並且，圖例中火花點火IG的正時比壓縮上死點(壓縮行程和膨脹行程之間的上死點)TDC稍微設定於滯後側，在比這位於更滯後側的正時t0開始實質性的燃燒。
另一方面，由早燃時的波形Jl明顯可知，發生早燃時，比正常的燃燒開始時期t0早地(在圖例中比壓縮上死點TDC稍早的時間點tl)開始燃燒，與此同時燃燒變得急劇化。於是，在該實施形態中，當上述離子電流傳感器34在比正常的燃燒開始時期t0提前了規定的判定時間以上的時間點上檢測出火焰時，所述早燃判定手段42判斷為發生早燃。又，為了以更高的精度檢測出早燃，所述判定時間優選為小。但是，該判定時間過小時，即使是正常的燃燒，其開始時期的較小偏移也會判斷成早燃，從而影響控制的穩定性，並且，原來，由於從緊鄰火花點火IG之前到火花點火IG之後經過規定時間的期間(圖5的期間Z)為了進行火花點火IG而火花塞16的電極間的電壓變化大，因此在該期間Z內無法檢測出離子電流。於是，考慮這種控制的穩定性及系統上的制約，在本實施形態中，若離子電流傳感器34的火焰檢測正時提前至比上述電壓變化期間Z稍早的時期(例如時間點tl左右)，則判斷為發生早燃。又，在上述汽缸體3中設置有檢測汽缸體3的振動、即爆震的振動傳感器33(所謂爆震傳感器)。具體是，振動傳感器33檢測汽缸體3的振動強度的最大值，後述ECU 40利用該檢測值檢測有無規定值以上強度的振動的爆震。爆震是混合氣因火花點火而開始燃燒(火焰傳播燃燒)後，其火焰傳播的過程中混合氣的未燃燒成分(尾氣)自燃的現象。在發生該爆震的情況下，也會使發動機噪聲變大，同時有可能會發生活塞的破損等。於是，在本發動機中利用該振動傳感器33檢測有無爆震。具體是，當振動傳感器33檢測的發動機主體I的振動強度超出規定的基準水平時，ECU 40的爆震判定手段(未圖示)判斷為發生爆震。而且，檢測到爆震時實施避免爆震的控制措施。又，爆震在火焰的生成時期從正常的燃燒時起不會發生變化，因此難以用前述離子電流傳感器34檢測有無爆震。另一方面，在早燃發生時發動機振動也會變大。因此，利用該振動傳感器33可以檢測早燃。於是，從減少傳感器數量等的觀點考慮，也可以省略前述離子電流傳感器34而用振動傳感器33檢測早燃，但是在本實施形態中，具備這兩個傳感器33、34，並用離子電流傳感器34檢測早燃。又，在本實施形態中，該振動傳感器33的檢測值也用於推定從前述噴射器18噴射的燃料的辛烷值。具體是，由後述ECU 40的辛烷值推定手段46利用該檢測值推定燃料的辛烷值。該辛烷值的推定值使用於後述的早燃裕度維持控制。燃料的辛烷值、即耐爆震性越高，汽缸體3的振動強度越小。因此，辛烷值推定手段46推定為用振動傳感器33檢測的汽缸體3的振動強度的最大值越大，辛烷值越小。具體是，預先通過實驗等求出對應於汽缸體3的振動強度的最大值的辛烷值的圖並儲存於後述ECU的存儲手段41，辛烷值推定手段46從該圖中將與振動傳感器33檢測出的振動強度的最大值對應的值推定為當前的辛烷值。在此，前述振動強度的最大值，不僅隨著燃料的辛烷值而發生變化，而且在發動機主體I的幾何壓縮比變化的情況下(發動機主體I的幾何壓縮比因生產變動及在進氣門等上的碳的附著等而發生變化)也會發生變化。具體是，隨著幾何壓縮比增高，壓縮端溫度增高，燃燒變得急劇化，與此同時汽缸體3的振動強度變大。但是，在本實施形態中，將該振動強度的全部變化假定為辛烷值的變化。其原因是，該辛烷值的推定值是用於推定作為不發生早燃的有效壓縮比(根據進氣門的閉閥時期規定的實質性的壓縮比)的上限值的極限有效壓縮比的值，並且對應於該極限有效壓縮比的辛烷值和幾何壓縮比之間的相關關係與對 應于振動強度的辛烷值和幾何壓縮比之間的相關關係一致，因此即使將該振動強度的全部變化假定為辛烷值的變化，也可以適當地推定上述極限有效壓縮比。具體是，由於燃料的著火溫度隨著辛烷值的增高而提高，因此不易發生早燃，極限有效壓縮比變大。而且，辛烷值越高，振動強度越小。另一方面，幾何壓縮比越低，越不容易發生早燃，極限有效壓縮比越大。並且，幾何壓縮比越低，振動強度越小。因此，在本實施形態中，將隨著辛烷值的變化和幾何壓縮比的變化而引起的汽缸體3的振動強度的最大值的變化綜合後認為是由辛烷值的變化而引起的變化。又，也可以設置檢測汽缸內的壓力的缸內壓力傳感器，利用該缸內壓力傳感器檢測幾何壓縮比，並從上述振動傳感器33的檢測值中排除幾何壓縮比的影響，個別地推定燃料的辛烷值和幾何壓縮比。再回到圖1，說明發動機的整個結構。在上述發動機主體I的汽缸體3及汽缸蓋4的內部設置有流通冷卻水的水套(圖示省略)。在上述汽缸體3中設置有檢測該水套內的冷卻水溫度的發動機水溫傳感器31。在上述發動機主體I的進氣道9及排氣道10上分別連接有進氣通道20及排氣通道21。燃燒用的空氣(新氣)通過該進氣通道20供給至燃燒室6，在燃燒室6內生成的已燃氣體(排氣)通過上述排氣通道21向外排出。在上述進氣通道20中設置有調節流入發動機主體I的吸入空氣的流量的節氣門22，檢測吸入空氣的流量的空氣流量傳感器32 (圖3)，以及檢測吸入空氣的溫度的進氣溫度傳感器36。上述節氣門22由電子控制式的節氣門構成，並響應於由駕駛者踩踏而進行操作的圖外的加速器踏板的開度電動地進行開閉驅動。即，在上述加速器踏板上設置有加速器開度傳感器35 (圖3),圖外的電動式執行器響應於用該加速器開度傳感器35檢測出的加速器踏板的開度(加速器開度)對節氣門22進行開閉驅動。在上述排氣通道21上設置有用於淨化排氣的催化轉化器23。在催化轉化器23中內設有例如三元催化器，經過排氣通道21的排氣中的有害成分通過上述三元催化器的作用淨化。
又，在車輛的規定部位上也設置有檢測作為外部氣體壓力的外氣壓(大氣壓)的外氣壓傳感器37 (參照圖3)。(2)控制系統
圖3是示出發動機的控制系統的框圖。該圖所示的ECU 40是綜合控制發動機各部的控制手段，由眾所周知的CPU、ROM、RAM等構成。對上述E⑶40輸入來自各種傳感器的檢測信號。S卩，E⑶40電連接於上述發動機轉速傳感器30、發動機水溫傳感器31、空氣流量傳感器32、振動傳感器33、離子電流傳感器34、加速器開度傳感器35、進氣溫度傳感器36、外氣壓傳感器37以及凸輪角傳感器38，並且作為各個傳感器30 38的檢測值的發動機轉速Ne、冷卻水溫度Tw、吸入空氣量Qa、振動強度Va、離子電流值Io、加速器開度Ac、進氣溫度Ti、外氣壓Pa、進氣門11的實閉時期IVC_r的信息，依次輸入至上述E⑶40。 上述E⑶40也與上述VVT 15、火花塞16、噴射器18及節氣門22電連接，對這些裝置分別輸出驅動用的控制信號。要說明上述E⑶40具有的更具體的功能時，作為其主要的功能性要素，上述E⑶40具有存儲手段41、早燃判定手段42、點火控制手段43、噴射控制手段44、有效壓縮比改變手段45、辛烷值推定手段46、極限有效壓縮比推定手段47、有效壓縮比計算手段48及早燃裕度計算手段49。上述存儲手段41存儲控制發動機時所需的各種數據及程序。在上述存儲手段41中存儲有圖4所示的特定運行區域R的範圍。該特定運行區域R是存在早燃發生可能性的運行區域，並設定在最高負荷線WOT的旁邊(即高負荷)且在低旋轉附近。S卩，如上所述，由於早燃是比火花點火的正常燃燒開始時期早地使混合氣自燃的現象，因此在燃燒室6內的空氣達到高溫 高壓化且燃料的受熱期間(燃料暴露於高溫 高壓環境下的實際時間)變長的低旋轉且高負荷區域下最容易發生早燃。於是，如圖4所示，將發動機轉速Ne比較低且負荷Ce高的區域設定為存在早燃發生可能性的特定運行區域R。又，發動機處於冷態時，由於燃燒室6的壁溫低，因此即使是高旋轉且高負荷區域也難以發生早燃。因此，僅在發動機溫態(發動機的冷卻水溫度高的時候)時使用設定有上述特定運行區域R的圖(區域判定圖)。在上述存儲手段41中存儲有對應於前述汽缸體3的振動強度的最大值的辛烷值的圖。又，在上述存儲手段41中存儲有作為不發生早燃的有效壓縮比的上限值的極限有效壓縮比的基準值(基準極限有效壓縮比)。該基準極限有效壓縮比是根據發動機轉速Ne和負荷Ce通過實驗或演算而求出的，並在存儲手段41中以圖的形式存儲有對應於發動機轉速Ne及負荷Ce的基準極限有效壓縮比。前述基準極限有效壓縮比是作為由駕駛者的操作決定的發動機轉速Ne和負荷Ce構成的操作條件除外的運行條件且不會隨著駕駛者的操作而變化的環境條件在規定的基準條件下的值。即，極限有效壓縮比除了發動機轉速Ne及負荷Ce以外也隨著燃料的辛烷值等的環境條件而變化，但是前述基準極限有效壓縮比是在規定的辛烷值等的環境條件下的值。
此外，對應於進氣門11的關閉時期IVC的有效壓縮比以圖存儲在上述存儲手段41中。該有效壓縮比是通過實驗或演算求出的。有效壓縮比計算手段48計算當前的發動機主體I的有效壓縮比CR。該有效壓縮比計算手段48從前述存儲手段41中存儲的有效壓縮比的圖中提取對應於當前的進氣門11的實閉時期IVC_r的值，並將提取的值決定為當前有效壓縮比CR。極限有效壓縮比推定手段47推定在當前的運行條件下的極限有效壓縮比CR_max。如上所述，極限有效壓縮 比不僅隨著如發動機轉速NE和負荷Ce的操作條件而變化，還隨著燃料的辛烷值等的環境條件而變化。於是，該極限有效壓縮比推定手段47從所述存儲手段41中存儲的基準極限有效壓縮比圖中提取對應於當前的發動機轉速Ne和負荷Ce的極限有效壓縮比的基準值，根據當前的環境條件修正提取的值，將該修正後的值決定為極限有效壓縮比CRjnax。作為影響極限有效壓縮比的環境條件主要有前述燃料的辛烷值、幾何壓縮比、進氣溫度、發動機冷卻水溫度及外氣壓。即，如前面所述，燃料的辛烷值變小，幾何壓縮比變大時，容易發生早燃，極限有效壓縮比變小。又，進氣溫度增高，發動機冷卻水溫度增高，並且外氣壓甚至進氣壓(汽缸內的壓縮開始壓力)增高時，由於壓縮端溫度以及壓力增高，因此容易發生早燃，極限有效壓縮比變小。於是，上述極限有效壓縮比推定手段47根據該燃料的辛烷值、幾何壓縮比、進氣溫度、發動機冷卻水溫度及外氣壓修正根據發動機轉速Ne和負荷Ce求出的基準極限有效壓縮比。具體是，在存儲手段41中存儲有分別對應於燃料的辛烷值、進氣溫度、冷卻水溫度及外氣壓的極限有效壓縮比的修正量，極限有效壓縮比推定手段47分別提取對應於由上述辛烷值推定手段46推定的辛烷值、進氣溫度、冷卻水溫度及外氣壓的各值的修正量，利用該修正量修正基準極限有效壓縮比，從而推定極限有效壓縮比CR_max。於是，如前面所述，由辛烷值推定手段46推定的辛烷值是將幾何壓縮比和燃料辛烷值加起來換算成辛烷值的值。因此利用該推定出來的辛烷值的修正意味著利用燃料的辛烷值和幾何壓縮比的修正。上述早燃裕度計算手段49計算在當前的運行條件下到達早燃之前的，即對應於極限有效壓縮比的有效壓縮比的裕度。具體是，早燃裕度計算手段49將從極限有效壓縮比CR_max中減掉有效壓縮比CR的值作為裕度CR_mrg來計算(CR_mrg=CR_max_CR)。上述早燃判定手段42根據上述離子電流傳感器34的檢測值判定是否發生早燃。具體是，當發動機的運行狀態處於上述特定運行區域R時，早燃判定手段42從上述離子電流傳感器34的檢測值特別規定火焰的生成正時(實質性的燃燒開始時期)，通過將它與正常的燃燒開始時期比較，判定是否發生早燃。並且，正常的燃燒開始時期的信息是通過實驗或演算等預先求出的，並存儲於上述存儲手段41。上述點火控制手段43在根據發動機的運行狀態預先規定的規定的正時向火花塞16的點火電路輸出供電信號，從而控制上述火花塞16進行火花點火的正時(點火時期)等。例如，如圖5所示，在設定於發動機的低旋轉且高負荷區域的上述特定運行區域R中，控制上述火花塞16，使進行火花點火(IG)的正時(點火時期)比壓縮上死點(TDC)稍微延遲。這樣，在容易發生早燃的特定運行區域R中使點火時期比壓縮上死點延遲的原因是在容易發生早燃的特定運行區域R中也應該容易發生爆震，因此是為了防止該區域R中的爆震。又，當ECU 40的爆震判定手段(不圖示)根據前述振動傳感器33的檢測值檢測到爆震的發生時，該點火控制手段43為了避免該爆震而延遲點火時期。上述噴射控制手段44控制從上述噴射器18向燃燒室6噴射的燃料的噴射量及噴射時期。更具體是，上述噴射器控制手段44根據從發動機轉速傳感器30輸入的發動機轉速Ne及從空氣流量傳感器32輸入的吸入空氣量Qa等信息，演算作為目標的燃料的噴射量及噴射時期，並根據其演算結果控制噴射器18的開閥開始時期及開閥期間。尤其是，在容易發生早燃的上述特定運行區域R中，上述噴射控制手段44為了預先抑制早燃的發生(即無論早燃發生與否)，將應從噴射器18噴射的燃料(一個燃燒周期中應從噴射器18噴射的燃料)的一部分在設定於壓縮行程的後期噴射正時進行噴射(後期噴 射)的同時在比該後期噴射正時設定於提前側的前期正時進行噴射(前期噴射)。在本實施形態中，前述後期噴射正時設定於壓縮工序的中期以後(參照圖8 (b))。但是，即使實施如上所述的將一部分燃料在壓縮行程中噴射的壓縮行程噴射，也會出現在上述特定運行區域R中發生早燃的情況。如後面所述，在這樣的情況下上述噴射控制手段44提高來自噴射器18的燃料噴射量，使汽缸內的空燃比(燃燒室6中形成的混合氣的空燃比)暫時變濃，從而抑制早燃。上述有效壓縮比改變手段45通過驅動上述VVT 15而改變進氣門11的關閉時期，以此可變地設定發動機的有效壓縮比。即，進氣門11的關閉時期通常設定於進氣下死點的滯後側的附近(稍微超過進氣下死點的正時)，通過設定於這樣的正時，一旦被吸入的空氣不會返回至進氣道9，作為發動機的實質性壓縮比的有效壓縮比維持與幾何壓縮比大致一致的值。相對於此，進氣門11的關閉時期設定為比進氣下死點大幅延遲時，發動機的有效壓縮比下降，發生進氣的返回。上述有效壓縮比改變手段45驅動VVT 15而增減上述進氣門11的關閉時期的延遲量(滯後量)，以此可變地設定發動機的有效壓縮比。在這裡，進氣門11的關閉時期IVC設定為比進氣下死點早時，有效壓縮比也會下降，但是在本實施形態中，有效壓縮比改變手段45通過提高進氣門11的關閉時期的延遲量，降低有效壓縮比。該有效壓縮比改變手段45驅動VVT 15，改變有效壓縮比，使在上述特定運行區域R中用前述早燃裕度計算手段49計算的裕度CRjnrg為預先設定的最小裕度CRjnrgO以上。具體是，在特定運行區域R中，前述裕度CRjnrg未到最小裕度CRjnrgO時，有效壓縮比改變手段45延遲進氣門11的關閉時期IVC，直到該裕度CRjnrg達到最小裕度CRjnrgO以上為止。詳細地說，在通常運行時，進氣門11的關閉時期IVC由根據發動機轉速Ne和負荷Ce預先設定的進氣門基本關閉時期IVCO所控制，有效壓縮比改變手段45從該進氣門基本關閉時期IVCO開始延遲進氣門11的關閉時期IVC。並且，在所述存儲手段41中存儲有對應於該發動機轉速Ne和負荷Ce的進氣門基本關閉時期IVCO的圖。這樣，在本發明的發動機中控制有效壓縮比CR，使有效壓縮比CR比極限有效壓縮比CRjnax小裕度CRjnrg的量，從而確實避免早燃。如上所述，使有效壓縮比CR具有餘裕的原因是即使在極限有效壓縮比CRjnax的推定中產生誤差，也能確實避免因有效壓縮比CR超過極限有效壓縮比CRjnax而發生早燃。具體是，如上所述，極限有效壓縮比CRjnax是隨著發動機轉速Ne、辛烷值、幾何壓縮比、進氣溫度、發動機冷卻水溫度、外氣壓而變化的，但是除此之外也隨著存在每個周期變化的可能性的燃料的微粒化狀態及汽缸內的流動狀況而稍微變化，從而在極限有效壓縮比CRjnax的推定中可能產生誤差。並且，伴隨著振動傳感器33、進氣溫度傳感器36、發動機水溫傳感器31、外氣壓傳感器37、發動機轉速傳感器30的檢測誤差，有可能在極限有效壓縮比CR_max的推定中產生誤差。於是，在產生了該推定誤差的情況下，以確實避免發生早燃為目的，也將當前有效壓縮比CR比極限有效壓縮比CRjnax降低最小裕度的量。在本實施形態中，由於前述目的，前述最小裕度CRjnrgO設定為與極限有效壓縮比CRjnax的推定誤差量的最大值大致相同的值。在這裡，該推定誤差是因與運行條件幾乎無關的傳感器的檢測誤差等而產生的。因此，推定誤差的最大值是一定的，與運行條件無關，在本實施形態中，前述最小裕度CR_mrgO設定為無關於運行條件(操作條件及環境條件)的一定值，該最小裕度例如是0. 5 I. 0之間的值，設定為0. 7等。並且，在該檢測誤差隨著由發動機轉速Ne和負荷Ce構成的操作條件而變化或者隨著所述燃料的微粒化狀況等操作條件而變化等情況下，也可以根據操作條件改變最小裕度CR_mrgO。
又，當檢測出早燃時，有效壓縮比改變手段45為了抑制早燃，延遲進氣門11的關閉時期，從而降低有效壓縮比。又，上述說明的「進氣門11的關閉時期」是將除了升程曲線的傾斜部(升程量緩慢上升的緩衝區間)以外的區間定義為氣門的開閥期間的情況下的關閉時期，並不是指進氣門11的升程量完全為零時的時期。(3)避免早燃的控制動作
下面說明通過如上所述構成的ECU 40進行的控制動作。如前面所述，在本實施形態中，為了確實避免發生早燃，在上述特定運行區域R中實施向當前有效壓縮比CR給予相對於極限有效壓縮比CRjnax的餘裕的早燃裕度維持控制，同時在上述特定運行區域R中檢測到早燃時，實施早燃發生之後阻止其繼續發生的早燃停止控制。在這裡，以該早燃裕度維持控制和早燃停止控制構成的早燃避免控制為中心進行說明。圖6及圖7是用於說明上述控制動作的流程圖。當開始進行圖6的流程圖所示的處理時，首先實施讀取各種傳感器值的控制(步驟SI)。具體是，從上述發動機轉速傳感器30、發動機水溫傳感器31、空氣流量傳感器32、振動傳感器33、離子電流傳感器34、加速器開度傳感器35、進氣溫度傳感器36及外氣壓傳感器37中分別讀取發動機轉速Ne、冷卻水溫度Tw、吸入空氣量Qa、振動強度Va、離子電流值Io、加速器開度Ac、進氣溫度Ti、外氣壓Pa，並輸入至ECU 40。接著，根據上述步驟SI中讀取的冷卻水溫度Tw是否為規定閾值(例如80°C)以上，來判定發動機是否處於溫態(步驟S2)。在上述步驟S2中判定為「是」，確定為溫態的情況下，進一步判定當前的發動機的運行點(在由發動機的轉速Ne及負荷Ce特別規定的區域判定圖上的點)是否位於圖4所示的特定運行區域R內(步驟S3)。具體是，判定上述步驟SI中讀取的發動機轉速Ne和由吸入空氣量Qa (或者是加速器開度Ac)演算的發動機負荷Ce是否一起包含於圖4的特定運行區域R的範圍。上述步驟S3中判定為「否」，確定為不包含於特定運行區域R的情況下，由於不會發生早燃，因此不需要後述的步驟S7、S27的控制(早燃停止控制及恢復控制)，而維持通常的運行(步驟S6)。即，燃料的噴射量及噴射時期、進氣門11的動作正時等按照根據運行狀態預先規定的通常的目標值來控制。在上述步驟S3中判定為「是」，確定為處於特定運行區域R的情況下，實施將應從噴射器18噴射的燃料的一部分在壓縮行程中噴射的控制(步驟S4)。即，如圖8所示，在特定運行區域R以外的大部分區域中，在進氣行程中噴射全部燃料(參照圖8 Ca)的F)，在上述特定運行區域R中，將應噴射的燃料的一部分的噴射時期延遲至壓縮行程的中期以後，從而分成在進氣行程和壓縮行程噴射燃料(參照圖8 (b)的Fl，F2)。如上所述的一部分燃料的壓縮行程噴射(分次噴射)的原因是為了預先防止早燃的發生而進行的。如上所述，由於汽缸內容易變成高溫 高壓化，而且燃料暴露在這樣的環境下的實際時間(受熱期間)變長，因此設定在低旋轉且高負荷區域的上述特定運行區域R是最為容易引起早燃的區域。於是，在上述特定運行區域R中，實施將應噴射的燃料的一部分在壓縮行程的中期以後噴射的控制，並且利用該燃料的汽化潛熱降低壓縮端溫度(壓縮上死點附近的汽缸內溫度)，同時縮短燃料的受熱期間，從而預先降低發生早燃的可能性。又，與上述燃料的分次噴射一起，在特定運行區域R中實施將利用火花塞16進行 火花點火的正時(點火時期)延遲至壓縮上死點以後的控制(步驟S4)。這樣，通過將點火時期延遲設定，在壓縮上死點的進一步滯後側(即汽缸內溫度 壓力進一步降低的狀態)開始燃燒，因此在之後的燃燒過程中難以發生未燃燒混合氣(尾氣)的自燃，從而抑制爆震。實施上述步驟S4 (燃料的分次噴射及點火延遲)後，根據在上述步驟SI中讀取的離子電流值Io判定是否發生早燃(步驟S5)。具體是，從上述離子電流值Io特別規定火焰的生成正時，當該正時比預先存儲的正常燃燒開始時期提前規定時間以上時(例如提前至圖5的時間點tl左右的情況)，判定為發生早燃。在上述步驟S5中判定為「否」，沒有檢測到早燃的發生的情況下，推定極限有效壓縮比CRjnax (步驟S21，極限有效壓縮比推定工序)。具體是，從前述極限有效壓縮比圖中提取對應於發動機轉速Ne及負荷Ce的基準極限有效壓縮比，同時從各修正圖中提取分別對應於冷卻水溫度Tw、進氣溫度Ti及外氣壓Pa的修正量，根據該修正量修正基準極限有效壓縮比，以此推定極限有效壓縮比CR_max。接著，根據上述步驟SI中讀取的進氣門11的實閉時期IVC_r計算有效壓縮比CR(步驟S22，有效壓縮比計算工序)。具體是，從前述有效壓縮比的圖中提取對應於發動機轉速Ne等的值。當推定出極限有效壓縮比CRjnax並計算出有效壓縮比CR時，計算作為它們的差的裕度CR_mrg(步驟S23，裕度計算工序)。並且，判定該裕度CR_mrg是否未到最小裕度CR_mrgO (步驟 S24)。在上述步驟S24中判定為「否」時，即判定為前述裕度CR_mrg為最小裕度CR_mrgO以上的情況下，如後面所述，判定是否需要早燃停止控制後的恢復控制(步驟S26)，當需要恢復控制時實施恢復控制(步驟S27)。另一方面，當不需要恢復控制時維持通常的運行(步驟 S6)。另一方面，在步驟S24中判定為「是」時，即判定為所述裕度CR_mrg未到最小裕度CRjnrgO的情況下，實施使進氣門11的關閉時期IVC比前述進氣門基本關閉時期IVCO延遲從而降低有效壓縮比的控制(有效壓縮比降低控制)(步驟S25，有效壓縮比降低工序)。在本實施形態中，在前述存儲手段41中用圖存儲有對應於裕度CRjnrg和最小裕度CRjnrgO之差的進氣門11的關閉時期IVC變化量，並從圖中提取對應於所述差的變化量，進氣門11的關閉時期IVC延遲該變化量的量。通過實施以上步驟S21 S25的控制(早燃裕度維持控制)，即使運行條件發生變化，發動機主體I的有效壓縮比也能確實抑制在比極限有效壓縮比小規定的最小裕度CR_mrgO的量的值以下。另一方面，在上述步驟S5中判定為「是」，確認到發生早燃的情況下，作為停止該狀況的控制措施實施早燃停止控制(步驟S7)。接著，參照圖7說明上述步驟S7的早燃停止控制的具體內容。當該早燃停止控制開始進行時，首先，實施判定當前設定的進氣門11的關閉時期(IVC)是否比後述的步驟Sll中最大限度地延遲的時候的關閉時期(最遲時期)Tx早的控制(步驟S10)。並且，這裡的作為判定閾值的最遲時期Tx設定於發生進氣的返回而發動機的有效壓縮比相對於幾何壓縮比充分下降的時期(例如進氣下死點的通過後曲軸角110°左右)。假如，進氣門11的關閉時期比最遲時期Tx進一步延遲時，由於發動機的有效壓縮比極端地下降，輸出幅度不足， 因此上述最遲時期Tx設定為能最大限度延遲的量。在上述特定運行區域R中，最初，進氣門11的關閉時期作為不發生進氣返回的時期設定於例如進氣下死點的通過後(ABDC)曲軸角30°前後。因此，上述步驟SlO中的最初的判定結果理所當然地為「是」，並轉到下一個步驟S11，開始進行延遲進氣門11的關閉時期的控制。具體是，通過向進氣門11的動作正時延遲的方向驅動VVT 15，以此使進氣門11的關閉時期比當前的設定值延遲規定量，從而使發動機的有效壓縮比下降(早燃停止用有效壓縮比降低工序)。這樣，主要降低壓縮端壓力(壓縮上死點附近的汽缸內壓力)，從而抑制早燃。在這裡，在延遲進氣門11的關閉時期降低有效壓縮比的如上所述的控制中伴隨著一定程度的響應延遲。即，為了降低有效壓縮比，需要通過利用VVT 15(可變氣門正時機構)的機械動作逐步地改變進氣門11的動作正時，並將進氣門11的關閉時期延遲至對應於上述有效壓縮比的降低量的規定的目標時期為止。因此，將進氣門11的關閉時期延遲至目標時期並將有效壓縮比降低期望的量需要一定程度的時間。於是，為了確保在上述有效壓縮比的降低控制(進氣門11的關閉時期的延遲)結束之前的期間的早燃的抑制效果，在後續的步驟S12中實施使汽缸內的空燃比暫時變濃的控制(過渡控制工序)。具體是，通過增加來自噴射器18的燃料的噴射量，將汽缸內的混合氣的空燃比設定為比當前的空燃比濃且比理論空燃比濃的值。空燃比比理論空燃比濃時，汽缸內溫度因燃料的汽化潛熱而下降，因此燃料的受熱量減少，從而抑制早燃的發生。並且，為了使空燃比變濃，僅需延長噴射器18的開閥期間(燃料的噴射時間)，因此尤其在沒有響應延遲的基礎上可以瞬間應對。在上述特定運行區域R中，在沒有發生早燃的通常時候，汽缸內的空燃比設定為理論空燃比(14. 7)左右。因此，通過上述步驟S12中的空燃比的變濃，汽缸內的空氣過剩率、，即形成於燃燒室6的混合氣的空燃比(實際空燃比)除以理論空燃比的值從I至降低至不到I的規定值(入<1)。例如，通過上述步驟S12的控制，空氣過剩率\下降至0.75左右(空燃比大約為11)。通過上述步驟使空燃比變濃後，判定進氣門11的關閉時期的延遲是否完成，即判定通過上述VVT 15的動作延遲的進氣門11的關閉時期是否達到目標時期(步驟S13)。並且，在這裡的判定可以是實際檢測VVT 15的動作角度並根據該角度進行判定，也可以是用定時器等對是否經過了通過預先實驗等求出的所需時間進行判定。在上述步驟S13之後，在那裡等待判定為「是」(IVC的延遲完成)，然後實施解除空燃比變濃的控制(步驟S14)。即，通過降低來自噴射器18的燃料噴射量，汽缸內的空燃比返回到理論空燃比左右。由此，空氣過剩率X從上述變濃後的值(例如0.75左右)增加至
入=1。又，在如本實施形態的直噴式多汽缸汽油發動機中，通過對各汽缸分別控制來自噴射器18的燃料噴射量，可以對每個汽缸2個別地設定各汽缸2的空燃比。因此，也可以對每個汽缸2獨立地實施上述空燃比的變濃及其解除(步驟S12，S14)，並且也可以以全部汽缸2為對象實施上述空燃比的變濃及其解除(步驟S12，S14)。並且，在前者的情況下意味著某個汽缸檢測到早燃時，僅對該汽缸的空燃比實施變濃，而後者的情況下意味著一個汽缸檢測到早燃時，對其他的汽缸也同樣實施空燃比的變濃(即，對其他汽缸與有無早燃無 關地實施空燃比的變濃)。例如，假設將進氣門11的關閉時期延遲至目標時期需要的所需時間比一個燃燒周期長且比兩個燃燒周期短。在這樣的情況下，當對每個汽缸2獨立地實施空燃比的變濃時，以某個汽缸中的早燃的發生為開端，在發生該早燃的汽缸(以下稱為早燃發生汽缸)中的下一次燃燒時對該汽缸的空燃比實施變濃，並在上述早燃發生汽缸中的下下次的燃燒時解除該變濃。另一方面，當以全部汽缸2為對象實施空燃比的變濃時，以某個汽缸中的早燃的發生為開端，從燃燒順序比該早燃發生汽缸晚的汽缸開始依次實施空燃比的變濃。因此，至少在早燃發生汽缸的下一次的燃燒之前繼續實施各汽缸的變濃，並且在早燃發生汽缸的下下次的燃燒之前解除上述變濃。此時，由於汽缸的變濃的順序越靠後，有效壓縮比越低，因此也可以隨著順序的推進減小變濃的幅度。在結束上述步驟S14的控制(變濃的解除)後，在用於記錄早燃停止控制的實施/非實施的標記F (其預設值為0)中輸入表示該控制處於實施中的「I」(步驟S15)，並返回到圖6的主流程。如以上說明的步驟SlO S15的控制(早燃停止控制)直到避免早燃為止(即圖6的步驟S5中判定為「否」為止)重複實施。因此，通過這樣的重複控制，逐步地延遲進氣門11的關閉時期，從而與此同時也逐步地降低有效壓縮比。例如，假設進氣門11的關閉時期的每一次的延遲幅度通常設定為曲軸角2°，此時通過實施上述早燃停止控制，進氣門11的關閉時期對於當前的設定值首先僅延遲曲軸角2°，若這樣也無法避免早燃時，進一步地僅延遲曲軸角2°。於是，這樣的曲軸角2°刻度的延遲在進氣門11的關閉時期未達到上述最遲時期Tx的範圍內繼續進行(參照後述的圖9的時序圖)。相反，當達到最遲時期Tx之前避免了早燃時，在該時間點上停止延遲。S卩，在發生早燃時，進氣門11的關閉時期至少延遲一次，此時沒有避免早燃時，通過重複延遲逐步地增加從初期狀態開始的延遲幅度。並且，在延遲進氣門11的關閉時期時，在其每一次上一併實施空燃比變濃的控制，從而每一次補償上述延遲控制的響應延遲。並且，在上述進氣門11的關閉時期達到最遲時期Tx之前避免早燃時，在該時間點上停止如上所述的進氣門11的關閉時期的延遲及空燃比的變濃。
在上述步驟Sll中進氣門11的關閉時期延遲至最遲時期Tx後，早燃仍然繼續發生時，在上述步驟SlO中判定為「否」，從而在下一步驟S16中發出規定的警告以向駕駛者等告知發動機處於異常情況。即，即使將進氣門11的關閉時期延遲至最遲時期Tx (S卩，即使最大限度降低發動機的有效壓縮比)，早燃繼續發生的狀態中考慮因例如發動機冷卻系統的故障等原因發動機處於異常高溫的狀態的情況，因此也難以在其以上繼續運行。於是，為了向駕駛者等告知這樣的狀態的出現，從而發出規定的警告。並且，也可以在發出警告的同時實施大幅降低發動機輸出的控制。圖9是示出在實施上述早燃停止控制時，假設如果不多次實施有效壓縮比的降低控制則無法避免早燃的情況下，空氣過剩率(\ )、進氣門11的關閉時期(IVC)及節氣門22的開度(節氣門開度)分別隨著時間變化的時序圖。從該圖中可以理解，發生早燃時，進氣門11的關閉時期(IVC)逐步地(例如每曲軸角2° )延遲，以此發動機的有效壓縮比每次下降規定量。並且，與每次的IVC的延遲(有效壓縮比的降低)一起實施暫時將空燃比變濃的控制。即，空氣過剩率、僅在IVC達到目標時期之前的過渡期(IVC向右上傾斜的區間)內從I下降至不到I的規定值。這樣，空燃比重複變濃(入< I)或者變成理論空燃比左右(入=1) 的狀態。並且，通過在將導入汽缸內的空氣的量(吸入空氣量Qa)保持不變的基礎上，提高來自噴射器18的燃料的噴射量，以此進行上述空燃比的變濃。因此，節氣門開度不會因空燃比的變濃而變化，而維持例如圖示的一定的開度。最後，說明在實施上述早燃停止控制(圖7，圖9)的結果避免早燃的情況下的控制動作。即使是實施早燃停止控制後避免早燃的情況下，首先也實施上述步驟S21 S24。於是，在步驟S24中判定為「否」時，即，僅在上述裕度CRjnrg為最小裕度CRjnrgO以上的情況下可以實施前述恢復控制。在該步驟S24中判定為「否」時，接著判定是否為早燃停止控制的實施之後。即，當已實施早燃停止控制時標記F變成F=l，因此在步驟S26中判定該標記F是否為「I」。於是，該標記F為「I」時，判定為早燃停止控制的實施之後，並實施恢復控制(步驟S27)。在上述恢復控制中，與圖9所示的早燃停止控制時相反地將進氣門11的關閉時期(IVC)逐步地提前(提前角)，以此實施每次以規定量提高有效壓縮比的控制。於是，IVC每次提前時，確認有無發生早燃及早燃裕度是否為最小裕度以上，如果沒有發生早燃且早燃裕度為最小裕度以上，則進一步提前IVC。並且，在進氣門11的關閉時期達到進氣門基本關閉時期IVCO等的通常時期(幾乎不發生進氣的返回的時期)為止繼續逐步提前IVC。在進氣門11的關閉時期IVC達到通常時期的情況下，或者在步驟S25中實施有效壓縮比降低控制時上述標記F復位至「O」。並且，這樣的恢復控制時的空燃比維持在理論空燃比或者其附近值。(4)作用效果等
如以上所說明，在本實施形態的火花點火式發動機中，由於根據發動機的轉速Ne及負荷Ce、燃料的辛烷值、進氣溫度、冷卻水溫度、外氣壓推定當前的極限有效壓縮比CR_max，因此可以提高推定精度。並且，控制當前有效壓縮比CR使其相對於該極限有效壓縮比CR_max 一直具有最小裕度CRjnrgO以上的餘裕。因此，即使在極限有效壓縮比CRjnax的推定中產生誤差的情況下，也可以確實避免早燃。尤其是，由於最小裕度CRjnrgO無關於環境條件而維持一定值，因此即使環境條件發生變化也能確保規定的裕度，確實避免早燃。
圖10示出在進行確保該有效壓縮比CR相對於極限有效壓縮比CRjnax的裕度的控制(早燃裕度維持控制)時的控制結果。該圖10的上側圖示出在規定的發動機轉速Ne及負荷Ce下，隨著環境條件而變化的極限有效壓縮比CRjnax及有效壓縮比CR的變化情況。在該上側圖中CR_base為進氣門11的關閉時期IVC在前述進氣門基本關閉時期IVCO時的基本有效壓縮比。該圖10的下側圖示出隨著環境條件而變化的進氣門11的關閉時期IVC的變化情況。在該圖中，橫軸示意性地表示環境條件的變化。在該橫軸中越靠近右側的位置是越容易發生早燃的環境條件。在該圖中示出的示例中，作為環境條件變化的有燃料的辛烷值、幾何壓縮比、進氣溫度、冷卻水溫度、外氣壓。早燃隨著辛烷值的變小、進氣溫度的升高、冷卻水溫度的升高、外氣壓的升高而變得容易發生。如圖10所示，在比環境條件A位於左偵彳、比環境條件A難以發生早燃的條件(區域X)中，極限有效壓縮比CRjnax顯著大於前述基本有效壓縮比CR_base，相對於極限有效壓縮比CRjnax的基本有效壓縮比CR_base的裕度CRjnrg為最小裕度CRjnrgO以上。因此，在該區域X中，為了抑制裕度CRjnrg使其不到最小裕度CR_mrgO，不實施延遲進氣門11的關閉時期IVC的控制，而是進氣門11的關閉時期IVC成為進氣門基本關閉時期IVC0。另一方面，在比環境條件A位於右側、容易發生早燃的條件(區域Y)下，極限有效壓縮比CRjnax變小，相對於極限有效壓縮比CRjnax的基本有效壓縮比CR_base的裕度CR_mrg不到最小裕度CR_mrgO。因此,在該區域Y中，為了使裕度CR_mrg為最小裕度CR_ mrgO以上，而實施延遲進氣門11的關閉時期IVC的控制。這樣，進氣門11的關閉時期IVC比進氣門基本關閉時期IVCO延遲。於是，通過該控制，有效壓縮比CR相對於極限有效壓縮比CR_max的裕度CR_mrg為最小裕度CR_ mrgO以上(圖例中，與最小裕度CR_mrgO幾乎一致)。又，在該實施形態的火花點火式發動機中，根據離子電流傳感器34 (檢測手段)的檢測值檢測到早燃的情況下，至少一次實施延遲進氣門11的關閉時期而將有效壓縮比降低規定量的控制，同時在完成該控制之前的過渡期內實施使汽缸內的空燃比暫時變濃的控制。這樣的結構具有與降低有效壓縮比的控制的響應延遲無關，可以迅速且有效地抑制早燃的優點。S卩，在上述實施形態中，作為檢測到早燃時的對策降低有效壓縮比的同時在完成其控制之前的過渡期內使汽缸內空燃比暫時變濃，藉助於此，即使在從開始降低有效壓縮比到實際上將有效壓縮比降低規定量之前的期間需要因響應延遲導致的時間，由於在該響應延遲的期間內通過空燃比的變濃而發揮冷卻效果(所需以上的燃料的汽化潛熱降低汽缸內溫度的效果)，因此可與如上所述的控制的響應延遲無關地迅速抑制早燃。於是，實際上有效壓縮比降低規定量，與此同時壓縮端壓力(壓縮上死點附近的壓力)下降時，通過在該狀態下解除空燃比的變濃，確保早燃的抑制效果的同時避免空然比的變濃經過所需以上的時間，可以最低限度抑制油耗及排放性的惡化。更具體是，在上述實施形態中，在完成降低有效壓縮比的控制之前的過渡期內使空氣過剩率、從I變化至不到I的規定值(例如0. 75左右)，並且完成有效壓縮比的降低時使空氣過剩率、恢復到I。根據這樣的結構，在有效壓縮比下降之前的過渡期內、，在變濃至X < I的環境下可適當地降低汽缸內溫度，同時完成有效壓縮比的降低後立即恢復至入=1，以此儘可能在短時間內完成濃狀態下的燃燒。又，如圖9等所示，在上述實施形態中，將有效壓縮比降低規定量後，進而檢測到早燃的情況下，實施進一步降低有效壓縮比的控制(將進氣門11的關閉時期進一步延遲的控制)的同時在完成該控制之前的過渡期內實施再次將汽缸內的空燃比暫時變濃的控制。根據這樣的結構，即使僅僅將有效壓縮比降低一次不能避免早燃，也可通過之後的將有效壓縮比的降低量逐步地增加的措施確實避免早燃。並且，通過如上所述確認有無早燃的同時逐步地降低有效壓縮比，有效壓縮比的降低量設定為能夠避免早燃的適當的量，因此無關於早燃的程度，不會出現發動機輸出驟減的現象，可以最低限度抑制駕駛性能的惡化。而且，由於每次降低有效壓縮比時空燃比暫時變濃，因此可以每次確實補償降低有效壓縮比的控制的響應延遲。又，在上述實施形態中，作為降低發動機的有效壓縮比的機構(可變機構)應用可變地設定進氣門11的動作正時的VVT 15 (可變氣門正時機構)。於是，降低有效壓縮比時，直到對應於其降低量的規定的目標時期為止改變進氣門11的關閉時期，並在達到目標時期之前的過渡期內實施上述空燃比的變濃。通過這樣的結構，與例如改變活塞5的行程量來降低發動機幾何壓縮比本身的情況不同，可以以更簡單的結構降低有效壓縮比。並且，在進氣門11的關閉時期達到目標時期之前的響應延遲的期間使空燃比變濃，以此在有效壓 縮比實際降低之前的期間內適當地延續空燃比的變濃，從而可以抑制早燃。又，在上述實施形態中，在設定在發動機溫態下的低旋轉且高負荷區域的特定運行區域R中，用上述離子電流傳感器34檢測早燃，並在檢測到早燃時實施上述有效壓縮比的降低及空燃比的變濃。根據這樣的機構，在汽缸內容易變成高溫 高壓化、且燃料暴露於這樣的環境下的實際時間(受熱期間)變長的運行條件下，即最容易發生早燃的運行條件下，可以適當地監視有無早燃並抑制早燃。又，在上述實施形態中，在上述特定運行區域R中運行時，實施將應從噴射器18噴射的燃料的一部分在壓縮行程(尤其是中期以後)中噴射的控制(分次噴射)。根據這樣的結構，通過壓縮行程的中期以後噴射的燃料的汽化潛熱有效地冷卻汽缸內部，在最容易發生早燃的運行條件下可以預先抑制早燃。又，在上述實施形態中，在上述特定運行區域R中運行時，將火花塞16的火花點火的正時設定在比壓縮上死點延遲的正時，因此不僅是早燃也可以有效地抑制爆震的發生。即，在容易發生早燃的上述特定運行區域R中，也應當容易發生爆震，但是通過如上所述延遲火花點火的正時，在壓縮上死點的更滯後側開始燃燒，這樣在之後的燃燒過程中難以發生未燃混合氣(尾氣)的自燃，從而抑制爆震。又，在上述實施形態中，在低旋轉且高負荷的特定運行區域R中時，將應從噴射器18噴射的燃料的一部分在壓縮行程的中期以後噴射，但是即使在例如特定運行區域R中尤其是容易發生早燃的區域，也可以將全部的燃料在壓縮行程的中期以後噴射。又，在上述實施形態中，在早燃停止控制中進行降低有效壓縮比的控制(步驟S25)時，通過將設定在比進氣下死點位於滯後側且不發生進氣的返回的時期(例如進氣下死點的通過後曲軸角30°前後)的通常的進氣門11的關閉時期改變至更滯後側(即引起進氣的返回)降低有效壓縮比，但是降低有效壓縮比的方法並不現定於此，也可以通過例如將進氣門11的關閉時期提前至比進氣下死點位於提前側來降低有效壓縮比。但是在這種情況下，需要大幅度改變進氣門11的動作正時，增加VVT 15的控制量，從而引起控制的響應性進一步惡化的問題。並且，為了避免這些，可以考慮將通常時候的進氣門11的關閉時期設定在與進氣下死點大約一致的正時等，但是如果這樣做，則不能充分利用進氣慣性，導致發動機輸出降低。 從這一點考慮，如上述實施形態所述，將通常時候(沒有發生早燃時)的進氣門11的關閉時期設定在比進氣下死點位於滯後側，並在降低有效壓縮比時，將進氣門11的關閉時期相對於上述通常時期延遲，這樣的做法在充分確保通常時候的發動機輸出的同時必要時有效率地降低有效壓縮比的方面是有利的。又，在上述實施形態中，作為檢測早燃的檢測手段應用了在火花塞16的電極之間施加偏置電壓而檢測火焰發生時的離子電流的火花塞內置型離子電流傳感器34，但是作為上述檢測手段也可以應用與火花塞16分離設置的離子電流傳感器。又，在上述實施形態中，根據離子電流傳感器34的火焰的檢測正時檢測早燃，但是也可以將例如用於檢測爆震等的振動傳感器(爆震傳感器)設置於發動機主體1，並根據該檢測值檢測早燃。當然，簡單地用振動傳感器僅僅檢查振動強度，並不能區別是爆震(火花點火後火焰傳播的過程中尾氣自燃的現象)還是早燃(比火花點火引起的正常的燃燒開始時期早地使混合氣自燃的現象)，因此不能正確地檢測早燃。因此，為了利用振動傳感器檢測早燃，例如可以有目的性地改變點火時期，並檢查與此相伴的振動傳感器的檢測值的變化。由此，可以正確區別並檢測爆震和早燃。例如，點火時期設定在比壓縮上死點位於滯後側的上述特定運行區域R中假如發生了爆震。此時振動傳感器檢測到大的振動強度，但是，這時相對於上述正時延遲點火時期的情況下，由於通過該措施抑制爆震，因此伴隨著點火時期的延遲出現振動強度的降低。相對於此，發生早燃的情況下，由於與點火時期無關地發生自燃，因此即使延遲點火時期也不能抑制早燃，不能降低振動強度。於是，如果利用這樣的性質檢查伴隨著點火時期的延遲而出現的振動強度的變化，則可以利用振動傳感器檢測早燃。又，在上述實施形態中，作為通過有效壓縮比計算手段48計算當前的有效壓縮比CR的具體方法，應用利用凸輪角傳感器38檢測進氣門11的實閉時期IVC_r的方法，但是也可以不利用檢測值而是利用進氣門11的關閉時期IVC的指令值(上述進氣門基本關閉時期IVCO或者在步驟S25等中修正該時期IVCO的值)。
權利要求
1.一種火花點火式發動機的控制方法，所述方法是控制具備對形成於發動機主體的汽缸內的混合氣能進行火花點火的火花塞和能改變所述發動機主體的有效壓縮比的有效壓縮比改變單元的火花點火式發動機的方法，包括 根據發動機的轉速、負荷以及發動機運行的環境條件，推定作為不發生比火花點火引起的正常的燃燒開始時期早地使混合氣自燃的早燃的上限的有效壓縮比的極限有效壓縮比的極限有效壓縮比推定工序； 計算當前有效壓縮比的有效壓縮比計算工序； 計算作為裕度的從上述極限有效壓縮比中減掉有效壓縮比的值的裕度計算工序； 以及在所述裕度小於預先設定的最小裕度的情況下，通過所述有效壓縮比改變單元降低所述發動機主體的有效壓縮比，以此使所述裕度達到所述最小裕度以上的有效壓縮比降低工序；上述最小裕度至少不隨著所述環境條件變化而設定為一定值。
2.根據權利要求I所述的火花點火式發動機的控制方法，其特徵在於，在所述極限有效壓縮比推定工序中，至少根據包含於上述環境條件的供給至汽缸內的燃料的辛烷值、吸入至汽缸的進氣的溫度及用於冷卻所述發動機主體的冷卻水的溫度推定所述極限有效壓縮比。
3.根據權利要求I所述的火花點火式發動機的控制方法，其特徵在於， 所述有效壓縮比改變單元能改變設置於所述發動機主體的進氣門的閉閥時期； 在所述有效壓縮比降低工序中，通過改變所述進氣門的閉閥時期，降低所述發動機主體的有效壓縮比。
4.根據權利要求2所述的火花點火式發動機的控制方法，其特徵在於， 所述有效壓縮比改變單元能改變設置於所述發動機主體的進氣門的閉閥時期； 在所述有效壓縮比降低工序中，通過改變所述進氣門的閉閥時期，降低所述發動機主體的有效壓縮比。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的火花點火式發動機的控制方法，其特徵在於，至少在設定於發動機溫態下的低旋轉且高負荷區域的特定運行區域中實施所述有效壓縮比降低工序。
6.根據權利要求5所述的火花點火式發動機的控制方法，其特徵在於，在上述特定運行區域中，在比壓縮上死點滯後的正時通過所述火花塞對混合氣進行火花點火。
7.根據權利要求6所述的火花點火式發動機的控制方法，其特徵在於， 使用能向汽缸內噴射燃料的噴射器； 在所述特定運行區域中，實施在設定於壓縮工序中的後期噴射正時從所述噴射器向汽缸內噴射燃料的後期噴射，同時實施在設定於比所述後期噴射正時位於提前側的正時從所述噴射器向汽缸內噴射燃料的前期噴射。
8.根據權利要求7所述的火花點火式發動機的控制方法，其特徵在於， 使用能檢測所述早燃的檢測單元； 在通過所述檢測單元檢測到早燃的情況下，包含通過上述有效壓縮比改變單元將所述發動機主體的有效壓縮比降低規定量的早燃停止用有效壓縮比降低工序；以及 從實施上述早燃停止用有效壓縮比降低工序開始到完成上述發動機主體的有效壓縮比的降低之前的過渡期內使基於從上述噴射器噴射的燃料的汽缸內的空燃比暫時變濃的過渡控制工序。
9.一種火花點火式發動機,包括 對形成於發動機主體的汽缸內的混合氣能進行火花點火的火花塞，能改變所述發動機主體的有效壓縮比的有效壓縮比改變單元，以及控制所述有效壓縮比改變單元的動作的控制單兀； 所述控制單元根據發動機的轉速、負荷以及發動機運行的環境條件，推定作為不發生比火花點火引起的正常的燃燒開始時期早地使混合氣自燃的早燃的上限的有效壓縮比的極限有效壓縮比，並計算作為當前有效壓縮比的有效壓縮比，同時計算作為裕度的從上述極限有效壓縮比中減掉有效壓縮比的差值，並在所述裕度小於預先設定的最小裕度的情況下，使所述有效壓縮比改變單元動作，降低所述發動機主體的有效壓縮比，以此使所述裕度達到所述最小裕度以上； 上述最小裕度至少不隨著所述環境條件變化而設定為一定值。·
10.根據權利要求9所述的火花點火式發動機，其特徵在於，所述控制單元至少根據包含於上述環境條件的供給至汽缸內的燃料的辛烷值、吸入至汽缸的進氣的溫度及用於冷卻所述發動機主體的冷卻水的溫度推定所述極限有效壓縮比。
11.根據權利要求9所述的火花點火式發動機，其特徵在於， 所述有效壓縮比改變單元能改變設置於所述發動機主體的進氣門的閉閥時期； 所述控制單元在所述裕度小於預先設定的最小裕度的情況下通過所述有效壓縮比改變單元改變所述進氣門的閉閥時期。
12.根據權利要求10所述的火花點火式發動機，其特徵在於， 所述有效壓縮比改變單元能改變設置於所述發動機主體的進氣門的閉閥時期； 所述控制單元在所述裕度小於預先設定的最小裕度的情況下通過所述有效壓縮比改變單元改變所述進氣門的閉閥時期。
13.根據權利要求9至12中任一項所述的火花點火式發動機，其特徵在於，所述控制單元至少在設定於發動機溫態下的低旋轉且高負荷區域的特定運行區域中使所述有效壓縮比改變單元動作，降低所述發動機主體的有效壓縮比。
14.根據權利要求13所述的火花點火式發動機，其特徵在於，上述控制單元在所述特定運行區域中在比壓縮上死點滯後的正時通過所述火花塞對混合氣進行火花點火。
15.根據權利要求14所述的火花點火式發動機，其特徵在於， 具備能向汽缸內噴射燃料的噴射器； 所述控制單元能控制所述噴射器的動作，在所述特定運行區域中，在設定於壓縮工序中的後期噴射正時從所述噴射器向汽缸內噴射燃料，同時在設定於比所述後期噴射正時位於提前側的正時從所述噴射器向汽缸內噴射燃料。
16.根據權利要求15所述的火花點火式發動機，其特徵在於， 具備能檢測所述早燃的檢測單元； 所述控制單元在通過所述檢測單元檢測到早燃的情況下，通過上述有效壓縮比改變單元將所述發動機主體的有效壓縮比降低規定量，同時在開始降低該有效壓縮比至完成該降低之前的過渡期內使基於從上述噴射器噴射的燃料的汽缸內的空燃比暫時變濃。
全文摘要
本發明涉及火花點火式發動機的控制方法及火花點火式發動機。在本發明中，可確實避免發生早燃。本發明的控制方法實施根據發動機的轉速(Ne)和負荷(Ce)及環境條件推定不發生早燃的有效壓縮比的上限值的極限有效壓縮比(CR_max)的工序；推定當前有效壓縮比(CR)的工序；計算作為裕度(CR_mrg)的從極限有效壓縮比(CR_max)中減掉有效壓縮比(CR)的值的工序；降低發動機主體的有效壓縮比(CR)，使裕度(CR_mrg)達到不隨著環境條件變化而設定為一定值的最小裕度(CR_mrg0)以上的工序。
文檔編號F02D43/00GK102748142SQ20121010952
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月16日 優先權日2011年4月19日
發明者志志目宏二 申請人:馬自達汽車株式會社