JP5987763B2 - 火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、火花点火式エンジンの制御装置に係り、特に特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率の低い特殊燃料を含む燃料が供給されるよう構成された火花点火式エンジンの制御装置に関する。

近年、地球温暖化等の環境問題の視点からバイオ燃料が注目されており、ガソリンと例えばバイオエタノールとを任意の混合比で混合した燃料で走行可能なＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicle）が実用化されている。ＦＦＶにおける燃料のエタノール濃度の範囲は、市場で流通している燃料のガソリン及びエタノールの混合比によって異なるが、例えばＥ２５（ガソリン７５％、エタノール２５）からＥ１００（エタノール１００％）まで変化する場合、又は、Ｅ０（ガソリン１００％）からＥ８５（ガソリン１５％、エタノール８５％）まで変化する場合がある。尚、ここでいうＥ１００には、エタノールの精製過程で十分に水分が除去されず、５％程度の水分を含有するＥ１００（エタノール９５％、水５％）も含まれる。

このようなＦＦＶでは、燃料のエタノールの濃度によって燃料の性状が異なる。つまり、多成分燃料であるガソリンは、その沸点が２７〜２２５℃の範囲になることから、例えば図２に、温度に対するガソリンの蒸留率の変化を示すように、温度が比較的低い状態であっても、気化率は比較的高い。これに対し、エタノールは単一成分燃料であって、その標準沸点は７８℃であるから、温度が比較的低いときには気化率が０になってガソリンの気化率よりも低くなる状態がある一方で、温度が比較的高いときには気化率が１００％になってガソリンの気化率よりも高くなる状態がある。そのため、ＦＦＶでは、エンジンの温度状態が所定の温度以下の低温時には、燃料におけるエタノールの濃度が高いほど、また、エンジンの温度状態が低いほど、気筒内での燃料の気化性能は悪化する。つまり、気筒内に供給した燃料量に対する、燃焼に寄与した燃料量の重量比を気化率と定義すれば、エタノールの濃度が高いほど、また、エンジンの温度状態が低いほど、気化率は低くなる。例えばＥ１００使用時の、エンジンの冷間運転時には、気化率が低くなることに起因して、混合気の着火性及び／又は燃焼安定性が悪化してしまうという問題が生じる。特に、水分含有のＥ１００は、この問題が大きい。

例えば特許文献１には、ＦＦＶ用のエンジンシステムにおいて、ガソリンとエタノールとを任意の混合比で混合した燃料を貯留するメインタンクから、ガソリン濃度が高い燃料を抽出し、それをメインタンクとは別のサブタンクに移動させて、そこに貯留するエンジンシステムが記載されている。これにより、特許文献１に記載されたエンジンシステムでは、サブタンク内に、気化性能が安定した燃料を常時、貯留していることになる。そこで、特許文献１に記載されたエンジンシステムでは、エタノール濃度の高い燃料を使用したときに、混合気の着火性及び／又は燃焼安定性が低下してしまう運転条件下（例えば、エンジンの冷間運転時等）では、メインタンクに貯留している燃料と、サブタンクに貯留しているガソリン濃度の高い燃料とを適宜の割合で混合する。こうしてメインタンクに貯留している燃料よりもガソリン濃度を高くした混合燃料を、エンジンの吸気ポートに噴射する。このように、特許文献１に記載されたエンジンシステムは、気化率が低くなる運転条件下では、サブタンクに貯留しているガソリン濃度の高い燃料を使用することによって燃料の気化率を高め、そのことにより、エンジンの冷間運転時等における、混合気の着火性及び／又は燃焼安定性を確保する。

また、特許文献２には、前述のようなサブタンクを備えていない一方で、気筒内に燃料を直接噴射するように構成された燃料噴射弁を有するＦＦＶ用のエンジンシステムが記載されている。この特許文献２に記載されたエンジンシステムでは、エタノールの理論空燃比はガソリンの理論空燃比と比較して小さく、エタノール濃度の高い燃料を使用するときには、ガソリン濃度の高い燃料を使用するときと比較して燃料噴射量を増量する必要があることに鑑みて、燃料のエタノール濃度が高くて燃料噴射量が多くかつ、エンジンの温度状態が低くてその燃料の気化性能が低くなるような、エンジンの低温始動時には、燃料圧力を高めると共に、高燃圧の燃料を圧縮行程中に気筒内に噴射する。高い燃料圧力によって、燃料を微粒化して気化を促進すると共に、燃料噴射時期を遅くすることによって、噴射した燃料が気筒の内壁やピストン等に付着する前に、燃焼を開始させる。こうして、特許文献２に記載されたエンジンシステムでは、燃料の噴射形態を工夫することによってエンジンの低温始動性を高めている。

特開２０１０−１３３２８８号公報 特開２０１０−３７９６８号公報

特許文献１に記載されているようなサブタンクを必要とする構成は、燃料供給系が２系統になってエンジンシステムの構成を複雑にしかつ、コストを増大させることから、特許文献２に記載されているようなサブタンクを省略した構成が要求されている。一方で、メインタンクに貯留している燃料の性状如何に関わらず、混合気の着火性及び／又は燃焼安定性を確保する必要がある。

ところで、特許文献２にも記載されているように、エタノールと、ガソリンとでは、理論空燃比の値が異なり、燃料のエタノール濃度が高くなるほど、ガソリンと比べて燃料噴射量は増える。

また、前述したように、エンジンの温度状態が低くかつ、燃料のエタノール濃度が高いときには、燃料の気化率が低くなる。そこで、ＦＦＶに搭載されるエンジンシステムでは、低い気化率を考慮し、所望の気化燃料量が得られるように、エンジンの温度状態が低いとき、及び／又は、燃料のエタノール濃度が高いときには、気筒内に供給する燃料量を、予め増量する制御が行われる。

例えばＥ９５使用時の冷間高負荷運転時には、燃料のエタノール濃度が高いため、ガソリンと比較して必要な燃料量が増えること、高負荷運転であることで、その分、燃料量が増えること、及び、冷間でかつエタノール濃度が高いため気化率が低くなることに伴い、燃料量の増量補正が必要になること、が組み合わさって、燃料噴射弁が１サイクル当たりに噴射する燃料量が極めて増大してしまう。その結果、同一運転状態下のガソリン使用時と比較して、噴射燃料量が、例えば２倍以上にもなる。

一方で、特許文献２に記載されているように圧縮行程中に気筒内に燃料を噴射する構成では、気筒内の高い圧力に対抗して燃料を噴射する必要がある上に、燃料を微粒化して燃料の気化を促進するために、燃料圧力を比較的高く設定しなければならない。燃料圧力は、例えばエンジンによって駆動される高圧ポンプによって昇圧されるが、前述の通り、燃料噴射弁が噴射する燃料量が極めて多くなる冷間高負荷運転が継続してしまうと、高圧ポンプによる燃料圧力の昇圧が間に合わなくなり、燃料圧力が次第に低下してしまうことになる。燃料圧力の低下は燃料の微粒化を悪化させて、燃料の気化率を低下させる。その結果、気筒内に供給した燃料量に見合うだけのトルクが得られなくなり、燃費が悪化する。また、未燃の燃料が増える分、排気エミッション性能も悪化する。

ここに開示する技術は、前記の実情を考慮した技術であり、その目的とするところは、エンジンの温度状態が所定温度以下の冷間時でかつ、エンジンの負荷状態が所定負荷以上の高負荷時において燃料の微粒化が悪化してしまうことを回避し、燃費の悪化を回避することにある。

前述した問題は、例えば高圧ポンプの容量を大きくし、燃料量の多い状態が継続したとしても高い燃料圧力を維持可能な構成を採用すれば、解消することが可能である。しかしながら、大型の高圧ポンプを採用することは、コストの増大、狭小のエンジンルーム内のレイアウト性の悪化、及び、大容量の高圧ポンプを駆動することに伴う燃費の悪化といった、新たな問題を招いてしまう。

そこで、本願発明者らは、気筒内に供給した燃料の気化率が低いときほど、言い換えると、気筒内に供給する燃料量が増える状況ほど、エンジン本体の充填効率の上限値を低く設定することにした。最大充填効率を制限することは、気筒内に供給する燃料量の最大量を制限することになり、比較的小容量の高圧ポンプであっても、高い燃料圧力を維持することが可能になる。

具体的にここに開示する技術は、火花点火式エンジンの制御装置に係る。この火花点火式エンジンの制御装置は、特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率の低い特殊燃料を含む燃料が供給されるように構成されたエンジン本体、前記エンジン本体に設けられた気筒内に、所定圧力に昇圧した前記燃料を供給するように構成された燃料供給機構、及び、少なくとも前記燃料供給機構の制御を通じて前記エンジン本体を運転するように構成された制御器、を備える。

そして、前記制御器は、前記エンジン本体の温度状態が所定温度以下の冷間時でかつ、アクセルペダルの操作によって前記エンジン本体の負荷状態が所定負荷以上となる高負荷時には、前記気筒が吸気行程にあるときと圧縮行程にあるときとに、前記燃料供給機構を通じて前記燃料を前記気筒内に供給すると共に、前記気筒内に供給した前記燃料の前記気化率が低いときほど、前記気筒内に吸入する空気が少なくなるように、前記エンジン本体の充填効率の上限値を低く設定する。

ここで、「特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率が低い特殊燃料」とは、例えば単一成分燃料であり、具体的にはエタノール又はメタノール等のアルコールを例示することができる。アルコールの具体例としては、サトウキビやトウモロコシを原料としたバイオエタノール等の、生物由来アルコールとしてもよい。

また、「特殊燃料を含む燃料」は、特殊燃料とガソリンとを混合した燃料、及び、特殊燃料のみの燃料の双方を含む。ガソリンと特殊燃料との混合比に、特に制限はなく、任意の混合比を採用することができる。エンジン本体に供給される燃料は、ガソリンと特殊燃料との混合比が一定であってもよいし、随時、変化してもよい。特殊燃料をエタノールとしたときに、「特殊燃料を含む燃料」には、具体的には、ガソリンにエタノールを２５％混合したＥ２５から、エタノール１００％のＥ１００までの範囲で、任意のエタノール濃度の燃料が含まれる。また、前記の構成は、エンジン本体に対して、特殊燃料を含まない燃料が供給されることを排除するものではない。例えば特殊燃料をエタノールとしたときに、エンジン本体に供給する燃料には、ガソリン（つまり、エタノールを含まないＥ０）から、ガソリンにエタノールを８５％混合したＥ８５までの範囲で、任意のエタノール濃度の燃料が含まれる。さらに、「特殊燃料を含む燃料」には、水が含まれていてもよい。従って、５％程度の水分を含有するＥ１００もまた、ここでいう「特殊燃料を含む燃料」に含まれる。尚、燃料におけるアルコール濃度は、様々な手法により、検知又は推定することが可能である。

「気化率」は、気筒内に供給した燃料量に対する、燃焼に寄与した燃料量の重量比として定義することができる。こうした気化率は、エンジンの排気通路に取り付けたＯ_２センサの検出値に基づいて算出することが可能である。エンジン本体の温度が所定温度以下の条件下では、燃料における特殊燃料の濃度が高いほど、また、エンジン本体の温度状態が低いほど、気化率は低くなり得る。

「燃料供給機構」は、特殊燃料を含む燃料を貯留する燃料タンク、燃料圧力を昇圧する高圧ポンプ、及び、昇圧された燃料を噴射する燃料噴射弁を、少なくとも含んで構成してもよい。高圧ポンプは、エンジン本体によって駆動される構成であっても、エンジン本体とは別の駆動源によって駆動される構成（例えば電動ポンプ）であってもよい。また、燃料噴射弁は、気筒内に、燃料を直接、噴射する燃料噴射弁としてもよい。また、そうした直噴の燃料噴射弁に加えて、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁を別途備えてもよい。

「エンジン本体の負荷状態が所定負荷以上の高負荷時」にあるとは、エンジンの運転状態が、全開負荷を含む高負荷領域にあるときと定義することができる。エンジン本体の負荷状態が高負荷状態にあるとは、エンジンの負荷領域を、低負荷領域と高負荷領域とに、仮想的に二分割したときの高負荷領域内にエンジン本体の運転状態があるとき、としてもよいし、エンジンの負荷領域を、低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域に、仮想的に三分割したときの高負荷領域内にエンジン本体の運転状態があるとき、としてもよい。尚、後述の通り、気筒内に供給した燃料の気化率が低い状態ほどエンジン本体の充填効率の上限値が低く設定されることに伴い、全開負荷は変更されることになる。

「充填効率」は、次の定義に従うとする。すなわち、標準大気（２５℃、１ａｔｍ）で総排気量の１気筒分の空気重量を１としたときの、１気筒内に吸入した空気重量の割合である。

前記の構成によると、エンジン本体の温度状態が所定温度以下の冷間時、言い換えると、特殊燃料の濃度の高い燃料は気化率が低下するような温度条件下でかつ、エンジン本体の負荷状態が所定負荷以上の高負荷時、言い換えると、気筒内に供給する燃料量が増えるようなエンジン本体の運転状態では、制御器は、気筒が吸気行程にあるときと、圧縮行程にあるときと、のそれぞれにおいて燃料を気筒内に供給する。

気筒が圧縮行程にあるときに燃料を気筒内に供給する（尚、この燃料供給は、気筒内に直接燃料を噴射することによって行われる）ことによって、圧縮行程が進行するに伴い断熱圧縮によって高くなる気筒内の温度を利用して、燃料の気化を促進することが可能になる。このことは、エンジン本体が高負荷状態にあることに起因して吸気負圧を利用した燃料の気化が、あまり期待できないときに、燃料の気化を促進することができ、極めて有効である。

また、エンジン本体が高負荷状態にあるため、気筒内に供給する燃料量が比較的増えると共に、エンジン本体が冷間状態にあることで、燃料の気化率の低さを考慮して燃料量はさらに増えることになるものの、吸気行程と圧縮行程とのそれぞれの行程で燃料供給を行うことは、燃料の供給期間を十分に確保すると共に、混合気の形成期間も十分に確保し得るから、混合気の着火性及び燃焼安定性に有利になる。吸気行程と圧縮行程との分割供給は特に、特殊燃料がアルコールであり、燃料におけるアルコール濃度が高いことで、ガソリンと比べて必要な燃料量が増えるときにも、燃料の供給期間を十分に確保することを可能にするから、有効である。

こうして、吸気行程及び圧縮行程のそれぞれで燃料の供給を行うことにより、燃料の気化性能を改善して、気化燃料量を十分に確保することが可能になるから、冷間高負荷時に、吸気行程のみで燃料の供給を行う構成と比較して最大充填効率を大幅に高め、全開トルクを高めることが可能になる。

そうして、制御器は、気筒内に供給した燃料の気化率が低いほど、エンジン本体の充填効率の上限値を低く設定する。つまり、燃料の気化率が低いときには、全開負荷が低くなるため、燃料量の最大値も少なくなる。このことにより、仮にエンジン本体の運転状態が全開負荷で継続するような状態になったとしても、燃料供給機構が供給する燃料量は少なくなるため、燃料供給機構は、所定の燃料圧力を維持することが可能になる。その結果、燃料の微粒化を確保して、燃料の気化性能が悪化してしまうことが回避される。こうして、気筒内に供給した燃料量に見合うだけのトルクが得られるようになり、燃費の悪化が回避される。また、未燃の燃料が減るため、排気エミッション性能も向上する。

ここで、前記の構成では、充填効率の上限値を低く設定するため、アクセル開度を全開にしたときの全開トルクは低くなるという制約がある。しかしながら、前述の通り、吸気行程及び圧縮行程のそれぞれにおける燃料供給を行うことにより、最大充填効率が高められているため、充填効率の上限値を低く設定したとしても、比較的高い充填効率が確保される。つまり、冷間時の走行性が向上する。また、ここでの負荷状態は、アクセル開度を全開にした高負荷状態であるため、エンジン本体の温度は速やかに上昇する。エンジン本体の温度状態が高くなることに伴い燃料の気化率は高くなるため、充填効率の上限値もまた、高く設定し直すことになる。従って、全開トルクを、当初は制限していたとしても、その制限は速やかに解除される。

尚、低く設定する充填効率の上限値は、０．５以上に設定すればよく、好ましくは０．６以上、さらに好ましくは０．７以上としてもよい。こうすることで、燃費の悪化を回避しながら、比較的高い全開トルクを確保することが可能になり、冷間燃費と冷間走行性とを高いレベルで両立することが可能になる。

前記制御器は、前記気筒内に供給する前記燃料における、前記特殊燃料の濃度が高いほど、前記エンジン本体の充填効率の上限値を低く設定する、としてもよい。

エンジン本体の温度状態が低い状態において、燃料における特殊燃料の濃度が高いほど、燃料の気化率が低くなる。従って、燃料における特殊燃料の濃度が高いほど、エンジン本体の充填効率の上限値を低く設定することにより、前述したように、燃費の悪化が回避される。

前記制御器は、前記エンジン本体の温度状態が低いほど、前記エンジン本体の充填効率の上限値を低く設定する、としてもよい。

エンジン本体の温度状態が低いほど、特殊燃料を含む燃料の気化率は低下する。従って、エンジン本体の温度状態が低いほど、エンジン本体の充填効率の上限値を低く設定する。このことにより、前述したように、燃費の悪化が回避される。

前記火花点火式エンジンの制御装置は、前記気筒内に充填する新気量を調整するよう構成されたスロットル弁をさらに備え、前記制御器は、アクセル開度情報を受けると共に、前記スロットル弁の開度を、当該アクセル開度に応じた開度に調整し、前記制御器はまた、前記制御器は、前記エンジン本体の温度状態が所定温度以下の冷間時でかつ、前記エンジン本体の負荷状態が所定負荷以上の高負荷時には、前記アクセル開度の変化に対し、所定の制御応答性でもって前記スロットル弁の開度を変更すると共に、前記気筒内に供給した前記燃料の前記気化率が低いときほど、前記スロットル弁の上限開度を低く設定する、としてもよい。

この構成によると、制御器は、エンジン本体の温度状態が所定温度以下の冷間時でかつ、エンジン本体の負荷状態が所定負荷以上の高負荷時の特定条件下では、スロットル弁の上限開度を低く設定する。このことによって、エンジン本体の充填効率の上限値は低くなる。また、制御器は、アクセル開度の変化に対し、所定の制御応答性でもってスロットル弁の開度を変更する。ここでいう「所定の制御応答性」は、前記の冷間高負荷の特定条件とは異なる別の条件における制御応答性と定義してもよい。つまり、ここでいう「所定の制御応答性」は、冷間高負荷の特定条件下における特有の制御応答ではなく、「所定の制御応答性」は、通常の制御応答性と言い換えることが可能である。

前記の構成では、アクセル開度の変化に対し、所定の制御応答性でもってスロットル弁の開度を変更するため、運転者のアクセル操作に対し、通常の制御応答性でもってスロットル弁の開度が制御される。従って、アクセル開度が上限値に至らず、充填効率も上限値に至らない範囲では、アクセル操作とスロットル開度との間の制御は、通常の制御と実質的に同じである。このことは、運転者の違和感を無くし、ドライブフィールを向上させる。

また、アクセル開度が全開になるまでアクセルペダルが踏み込まれたようなときには、充填効率の上限値が制限されることで全開トルクは低下するものの、スロットル弁の開度は、通常の制御応答性でもって変更されるから、加速フィールの悪化を抑制することが可能になる。

ここで、エンジン本体の温度状態が所定温度以下の冷間時でかつ、燃料の気化率が低いときには、アクセル開度の変化に対する、スロットル弁の開度変更の応答性を、通常時よりも低くする制御も考えられる。こうした制御は、アクセル開度に対し必要な燃料量を少なくして、前述した燃料圧力の低下を回避することが可能である。しかしながら、アクセル開度の変化に対する、スロットル弁の開度変更の応答性を低くする制御は、運転者のアクセルの踏み込みに対してトルクが追従しないことから、加速フィールが極めて悪化してしまう。また、エンジン本体の負荷状態が低負荷乃至中負荷にある常用域においても、運転者のアクセルの踏み込みに対してトルクが追従しなくなるから、運転者の違和感を招く。

これに対し、前述した構成では、エンジン本体の温度状態が所定温度以下の冷間時でかつ、燃料の気化率が低いときに、全開トルクのみが制限される。このため、常用域においては通常の制御と何ら変わらず、運転者の違和感を招くことがない。また、加速フィールも悪化しないという利点がある。

以上説明したように、前記の火花点火式エンジンの制御装置によると、エンジン本体の温度状態が所定温度以下の冷間時であって、エンジン本体の負荷状態が所定負荷以上の高負荷時には、吸気行程及び圧縮行程のそれぞれで気筒内に燃料を供給することにより、燃料量が比較的多い条件下でも、燃料の気化性能を改善して、最大充填効率を大幅に高めることができる。また、気筒内に供給した燃料の気化率が低いほど、エンジン本体の充填効率の上限値を低く設定することによって、燃料圧力を高い状態で維持することが可能になり、燃費の悪化を回避することができる。さらに、充填効率の上限を低く設定しているものの、吸気行程及び圧縮行程における燃料供給によって最大充填効率を高くしているから、制限した充填効率も比較的高くなり、冷間時の走行性が向上する。

火花点火式エンジン及びその制御装置の構成を示す概略図である。 温度に対するガソリンの蒸留量の変化とエタノールの蒸留量の変化とを比較する図である。 高負荷時における、冷間状態での燃料噴射時期と温間状態での燃料噴射時期とを比較する図である。 エンジン水温に対する燃料圧力の変化を例示する図である。 燃料の気化率に対する最大充填効率の制限量を例示する図である。 アクセル開度を全開にしたときの充填効率の変化を例示するタイムチャートである。 燃料噴射形態の相違に伴う、エンジンの全開トルクの相違を例示する図である。

以下、火花点火式エンジンの実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は例示である。図１に示されるように、エンジンシステムは、エンジン（エンジン本体）１、エンジン１に付随する様々なアクチュエーター、様々なセンサ、及びセンサからの信号に基づきアクチュエーターを制御するエンジン制御器１００を有する。このエンジンシステムは、幾何学的圧縮比が１２以上２０以下（例えば１２）の高圧縮比エンジン１を備える。

エンジン１は、火花点火式４ストローク内燃機関であって、図１には１つのみ図示するが、直列に配置された第１〜第４の４つの気筒１１を有する。但し、ここに開示する技術が適用可能なエンジンは、直列４気筒エンジンには限定されない。エンジン１は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。

このエンジン１には、エタノール（バイオエタノールを含む）を含有する燃料が供給される。特にこの車両は、エタノールの濃度が２５％（つまり、ガソリンの濃度が７５％のＥ２５）〜１００％（つまり、ガソリンを含まないＥ１００）までの任意の濃度の燃料が使用可能なＦＦＶである。尚、ここでいうＥ１００には、エタノールの精製過程で十分に水分が除去されずに５％程度の水分を含有するエタノールを含む。但し、ここに開示する技術は、Ｅ２５〜Ｅ１００の使用を前提としたＦＦＶに限らず、例えばＥ０（つまり、ガソリンのみでエタノールを含まない）〜Ｅ８５（つまり、ガソリン濃度１５％、エタノール濃度８５％）の範囲でエタノール濃度が変化する燃料が使用するＦＦＶにも適用可能である。

図示は省略するが、この車両は、前記の燃料を貯留する燃料タンク（つまり、メインタンク）のみを有しており、従来のＦＦＶのように、ガソリン濃度の高い燃料を、メインタンクとは別に貯留するためのサブタンクを有していない点が特徴である。このＦＦＶは、ガソリンのみが供給されるガソリン仕様車をベースにしたものであり、その構成の大部分は、二つの仕様の間で共通化されている。

エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、ブロック１２の内部に気筒１１が形成されている。周知のように、シリンダブロック１２には、ジャーナル、ベアリングなどによりクランクシャフト１４が回転自在に支持されており、このクランクシャフト１４が、コネクティングロッド１６を介してピストン１５に連結されている。

各気筒１１の天井部には、略中央部からシリンダヘッド１３の下端面付近まで延びる２つの傾斜面が形成されており、それらの傾斜面が互いに差し掛けられた屋根のような形状をなす、いわゆるペントルーフ型となっている。

前記ピストン１５は、各気筒１１内に摺動自在に嵌挿されており、気筒１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。ピストン１５の頂面は、前述した気筒１１の天井面のペントルーフ型の形状に対応するように、その周縁部から中央部に向かって隆起する台形状に形成されており、これによって、ピストン１５が圧縮上死点に到達したときの燃焼室容積を小さくして、１２以上の高い幾何学的圧縮比を達成している。ピストン１５の頂面にはまた、その概略中心位置に、概ね球面状に凹陥したキャビティ１５１が形成されている。このキャビティ１５１は、気筒１１の中心部に配設された点火プラグ５１に相対するように、配置されており、これによって、燃焼期間を短縮するようにしている。つまり、前述したように、この高圧縮比エンジン１は、ピストン１５の頂面が隆起していて、ピストン１５が圧縮上死点に到達したときに、ピストン１５の頂面と気筒１１の天井面との間隔が極めて狭くなるように構成されている。このため、キャビティ１５１を形成していないときには、初期火炎がピストン１５の頂面と干渉して冷却損失が増大し、火炎伝播が阻害されて燃焼速度が遅延してしまう。これに対し、前記のキャビティ１５１は、初期火炎の干渉を回避して、その成長を妨げないため、火炎伝播が速くなって、燃焼期間が短縮し得る。このことは、ガソリン濃度の高い燃料においては、ノッキングの抑制に有利になり、点火時期の進角によるトルクの向上に寄与する。

気筒１１毎に、吸気ポート１８及び排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれが燃焼室１７に連通している。吸気弁２１及び排気弁２２はそれぞれ、吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構３０により、排気弁２２は排気弁駆動機構４０により、それぞれ駆動され、それによって所定のタイミングで往復動して、吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉する。

吸気弁駆動機構３０及び排気弁駆動機構４０は、それぞれ吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト４１を有する。カムシャフト３１，４１は、周知のチェーン／スプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランクシャフト１４に連結される。動力伝達機構は、周知のように、クランクシャフト１４が二回転する間に、カムシャフト３１，４１を一回転させる。

吸気弁駆動機構３０は、吸気弁２１の開閉時期を変更可能な吸気バルブタイミング可変機構３２を含んで構成され、排気弁駆動機構４０は、排気弁２２の開閉時期を変更可能な排気バルブタイミング可変機構４２を含んで構成される。吸気バルブタイミング可変機構３２は、この実施形態では、吸気カムシャフト３１の位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式、機械式又は電動式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）により構成され、排気バルブタイミング可変機構４２は、排気カムシャフト４１の位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式、機械式又は電動式の位相可変機構により構成されている。吸気バルブタイミング可変機構３２は、吸気弁２１の閉弁時期を変更することにより、有効圧縮比を調整し得るものである。尚、有効圧縮比とは、吸気弁閉弁時の燃焼室容積と、ピストン１５が上死点にあるときの燃焼室容積との比である。

点火プラグ５１は、例えば、ねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に取り付けられている。点火プラグ５１の電極は、気筒１１の概略中心において燃焼室１７の天井部に臨んでいる。点火システム５２は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、点火プラグ５１が所望の点火タイミングで火花を発生するよう、それに通電する。

燃料噴射弁５３は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造で、この実施形態ではシリンダヘッド１３の一側（図例では吸気側）に取り付けられている。このエンジン１は、燃料を気筒１１内に直接噴射する、いわゆる直噴エンジンである。燃料噴射弁５３の先端は、上下方向については吸気ポート１８の下方に、また、水平方向については気筒１１の中央に位置して、燃焼室１７内に臨んでいる。但し、燃料噴射弁５３の配置はこれに限定されるものではない。燃料噴射弁５３は、この例においては、多噴口（例えば６噴口）型の燃料噴射弁（Multi Hall Injector：ＭＨＩ）である。各噴口の向きは、図示は省略するが、気筒１１内の全体に燃料が噴射できるように、噴口軸の芯先が広がっている。ＭＨＩの利点は、多噴口であるため一噴口の径が小さく、比較的高い圧力で燃料を噴射し得る点、及び、気筒１１内の全体に燃料を噴射可能に広がっているため、燃料のミキシング性が高まると共に、燃料の気化・霧化が促進される点にある。従って、吸気行程中に燃料を噴射した場合は、気筒１１内の吸気流動を利用した、燃料のミキシング性、及び、気化・霧化の促進の点で有利になる一方、圧縮行程において燃料を噴射した場合は、燃料の気化・霧化の促進により、気筒１１内のガス冷却の点で有利になる。尚、燃料噴射弁５３は、ＭＨＩに限定されるものではない。

燃料供給システム５４は、その構成の図示は省略するが、燃料を昇圧して燃料噴射弁５３に供給する高圧ポンプと、この高圧ポンプに対して燃料タンクからの燃料を送る配管やホース等と、燃料噴射弁５３を駆動する電気回路と、を備えている。高圧ポンプは、この例ではエンジン１によって駆動される。尚、高圧ポンプを電動ポンプとしてもよい。高圧ポンプは、ガソリン仕様車と同じ比較的小容量のポンプである。燃料噴射弁５３が多噴口型である場合は、微小な噴口から燃料を噴射するために、燃料噴射圧力は比較的高く設定される。電気回路は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて燃料噴射弁５３を作動させ、所定のタイミングで所望量の燃料を、燃焼室１７内に噴射させる。ここで、燃料供給システム５４は、エンジン回転数が上昇するに伴い燃圧を高く設定する。これは、エンジン回転数が上昇するに伴い、気筒１１内に噴射される燃料量も増大するが、燃圧が高くなることで、燃料の気化・霧化に有利になると共に、燃料噴射弁５３の燃料噴射に係るパルス幅を可及的に短くするという利点がある。最高燃圧は、例えば２０ＭＰａである。前述したように、燃料タンクには、Ｅ２５〜Ｅ１００までの任意のエタノール濃度のアルコール含有燃料が貯留されている。

吸気ポート１８は、吸気マニホールド５５内の吸気経路５５ｂによってサージタンク５５ａに連通している。図示しないエアクリーナからの吸気流は、スロットルボデー５６を通過してサージタンク５５ａに供給される。スロットルボデー５６にはスロットル弁５７が配置されており、このスロットル弁５７は、周知のようにサージタンク５５ａに向かう吸気流を絞って、その流量を調整する。スロットル・アクチュエーター５８が、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、スロットル弁５７の開度を調整する。

排気ポート１９は、排気マニホールド６０内の排気経路によって周知のように排気管内の通路に連通している。この排気マニホールド６０は、図示を省略するが、各気筒１１の排気ポート１９に接続された分岐排気通路が、排気順序が隣り合わない気筒同士で第１集合部により集合され、各第１集合部の下流の中間排気通路が第２集合部で集合された構造となっている。すなわち、このエンジン１の排気マニホールド６０には、いわゆる４−２−１レイアウトが採用されている。

エンジン１にはまた、その始動時にクランキングを行うためのスタータモータ２０が設けられている。

エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。

エンジン制御器１００は、エアフローセンサ７１からの吸気流量及び吸気温度、吸気圧センサ７２からの吸気マニホールド圧、クランク角センサ７３からのクランク角パルス信号、水温センサ７８からのエンジン水温、及び、排気通路に取り付けられたリニアＯ_２センサ７９からの、排気ガス中の酸素濃度、というように、種々の入力を受ける。エンジン制御器１００は、例えばクランク角パルス信号に基づいて、エンジン回転数を計算する。また、エンジン制御器１００は、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７５からのアクセル開度信号を受ける。さらに、エンジン制御器１００には、変速機の出力軸の回転速度を検出する車速センサ７６からの車速信号が入力される。加えて、シリンダブロック１２には、当該シリンダブロック１２の振動を電圧信号に変換して出力する加速度センサからなるノックセンサ７７が取り付けられており、その出力信号もエンジン制御器１００に入力される。

エンジン制御器１００は前記のような入力に基づいて、以下のようなエンジン１の制御パラメータを計算する。例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等である。そしてエンジン制御器１００は、それらの信号を、スロットル・アクチュエーター５８、燃料供給システム５４、点火システム５２、並びに、吸気及び排気バルブタイミング可変機構３２、４２等に出力する。エンジン制御器１００はまた、エンジン１の始動時には、スタータモータ２０に駆動信号を出力する。

ここで、ＦＦＶ用のエンジンシステムに特有の構成として、エンジン制御器１００は、リニアＯ_２センサ７９の検知結果に基づいて、燃料噴射弁５３が噴射する燃料のエタノール濃度を推定する。エタノールの理論空燃比（９．０）は、ガソリンの理論空燃比（１４．７）よりも小さく、燃料のエタノール濃度が高いほど理論空燃比はリッチ側（つまり、理論空燃比の値が小さくなる）になることから、理論空燃比でエンジンを運転している条件下において、排気ガス中に燃え残りの酸素が存在しているときには、燃料のエタノール濃度が予想よりも高かったと判断することができる。具体的に、燃料噴射弁５３が噴射する燃料のエタノール濃度、言い換えると燃料タンク内に貯留している燃料のエタノール濃度は、給油を行うことによって変化する可能性があるため、エンジン制御器１００はまず、燃料タンクのレベルゲージセンサの検出値に基づいて給油判定を行い、給油が行われたことを判定すれば、燃料のエタノール濃度の推定を行う。エンジン制御器１００は、リニアＯ_２センサ７９が出力した信号から、空燃比がリーンのときには、燃料中にガソリンが多いと判定する一方、空燃比がリッチのときには燃料中にエタノールが多いと判定することにより、燃料におけるエタノール濃度を推定する。尚、燃料のエタノール濃度を推定する代わりに、燃料のエタノール濃度を検出するセンサを設けてもよい。推定したエタノール濃度は、燃料噴射制御に利用されると共に、後述する充填効率の調整制御にも利用される。

エンジン制御器１００はさらに、リニアＯ_２センサ７９の検知結果に基づいて、気筒１１内に供給した燃料の気化率を算出する。気化率は、気筒１１内に供給する燃料量（言い換えると、燃料噴射弁５３が噴射した燃料量）に対する、燃焼に寄与した燃料量の重量比によって定義される。エンジン制御器１００は、混合気の空燃比と、リニアＯ_２センサの検出値とに基づいて燃焼に寄与した燃料量の重量を算出すると共に、算出した燃料重量と、燃料噴射弁５３の燃料噴射量とに基づいて気化率を算出する。算出した気化率は、後述する充填効率の調整制御にも利用される。

（冷間高負荷時のエンジン制御）
このエンジンシステムは、前述の通りＦＦＶに搭載されたシステムであり、エンジン１には、Ｅ２５〜Ｅ１００までの任意の混合比のアルコール含有燃料が供給される。ここで、図２は、ガソリンの気化特性とエタノールの気化特性とを比較する図である。尚、図２は、１気圧下における温度変化に対する、ガソリン及びエタノールそれぞれの蒸留量（％）の変化を示している。ガソリンは多成分燃料であることから、各成分の沸点に応じて蒸発する。ガソリンの蒸留量は、温度変化に対しおおよそ線形的に変化することなる。つまり、ガソリンは、エンジン１の温度状態が比較的低いときにも一部の成分が気化して、可燃混合気を形成することが可能である。

これに対しエタノールは単一成分燃料であることから、特定温度（つまり、エタノールの沸点である７８℃）以下では、蒸留量が０％になる一方で、特定温度を超えると、蒸留量が１００％になる。このように、ガソリンとエタノールとを比較すると、特定温度以下では、エタノールの蒸留量の方がガソリンの蒸留量よりも低くなる状態がある一方で、特定温度を超えると、エタノールの蒸留量の方がガソリンの蒸留量よりも高くなる状態がある。そのため、エンジン１の温度状態が所定温度以下（例えば水温が２０℃未満程度）の冷間状態では、エタノールを含有する燃料は、ガソリンと比較して気化率が低くなる。そうして、エンジン１が冷間状態にあるときには、エンジン１の温度状態が低いほど、また燃料のエタノール濃度が高いほど、燃料の気化率は低下することになる。

このように、エンジン１の温度状態や、燃料のエタノール濃度によって燃料の気化率が変化することから、エンジン制御器１００は、目標となる気化燃料量が得られるように、エンジン負荷及びアルコール濃度等に応じて設定されるベースの燃料量に対し、燃料の気化率に応じた燃料量の増量補正を行う。すなわち、燃料噴射弁５３が噴射する燃料量は、燃料の気化率が低いほど、増量される。このため、冷間高負荷運転時には、エンジン１の負荷状態が高くて燃料量が多くなる上に、燃料の気化率が低くて増量補正値が大きくなる結果、燃料噴射弁５３が噴射する燃料量は極めて多くなり得る。また、ガソリンの理論空燃比に対し、エタノールの理論空燃比は値が小さいため、燃料のエタノール濃度が高くなればなるほど、噴射する燃料量は増えることにもなる。

図３は、高負荷運転時の燃料噴射時期を例示する図である。尚、図３は、燃料噴射時期を概念的に示す図であり、燃料噴射期間を示すものではない。エンジン制御器１００は、エンジン１の水温が所定温度以下（前述したように、例えば２０℃未満程度）であって、燃料の気化率の低下に伴い噴射する燃料量が極めて多くなる冷間時には、図３に実線で示すように、吸気行程と、圧縮行程とのそれぞれにおいて、気筒１１内に燃料を噴射する。

これに対し、エンジン１の水温が所定温度を超えることで、燃料の気化率が高まり、噴射する燃料量が相対的に少なくなる半暖機から温間時には、エンジン制御器１００は、図３に破線で示すように、吸気行程中にのみ、気筒１１内に燃料を噴射する。

また、図４は、エンジン１の水温に対する、燃料圧力の変化を示している。エンジン制御器１００は、エンジン１の水温がＴ_１（例えば０℃）以下のときには、燃料供給システム５４を通じて燃料圧力をＰ_１（例えば２０ＭＰａ）に設定する。一方、エンジン１の水温がＴ_２（例えば１０℃）を超えるときには、燃料圧力をＰ_２（例えば１７ＭＰａ）に設定すると共に、エンジン１の水温がＴ_１からＴ_２の間は、エンジン水温の変化に対して、燃料圧力をＰ_１からＰ_２に線形的に変化させる。尚、燃料圧力の特性は、図４に示す特性に限らず、例えばエンジン１の水温が所定温度以下では燃料圧力をＰ_１に設定する一方で、所定温度を超えるときには燃料圧力をＰ_２に設定するようにしてもよい。

圧縮行程噴射は、圧縮行程中の断熱圧縮に伴い上昇する気筒１１内の温度を利用して、燃料の気化を促進する。前述したように、このエンジン１は、幾何学的圧縮比が高いことにより、圧縮端温度が高いため、燃料の気化には、極めて有利である。圧縮行程噴射では、気筒１１内の温度及び圧力状態が、エタノールが蒸発可能な状態になることを待って、気筒１１内に燃料を噴射することが好ましい。こうすることで、気筒１１内に噴射した直後からエタノールは気化するようになる。例えば圧縮行程の後半（つまり、圧縮行程を仮想的に前半及び後半の２つに分割したときの後半）に、気筒１１内に燃料を噴射するようにしてもよい。但し、燃料の噴射終了時点と、点火時期との間には、混合気形成期間を十分に確保することが好ましい。そのため、例えば燃料噴射量が比較的多くて、燃料噴射期間が長くなるようなときには、燃料の噴射開始を圧縮行程の前半、又は、吸気行程中に設定してもよい。

また、エンジン１の温度状態が低いときに燃料圧力を高めることによって、燃料の微粒化が促進されるから、燃料の気化性能を高める上で有利になる。また、燃料圧力を高めることは、同一噴射量で比較したときに噴射期間を短くするため、燃料噴射量が比較的多くなる冷間時に、噴射期間を短縮する上で、有利になる。

前述したように、エンジン１の冷間時には、燃料の気化率が低くなることを考慮して、燃料噴射量が補正によって増量しており、圧縮行程噴射だけでは、十分な燃料噴射期間を確保することができない場合がある。そこで、エンジン制御器１００は、燃料噴射弁５３を通じて、圧縮行程噴射に加えて、吸気行程中においても燃料を噴射する。これにより、十分な燃料噴射期間を確保する。また、吸気行程噴射は、強い吸気流動を利用して混合気の均質化に有利になると共に、吸気行程中に気筒１１内に噴射した燃料は、十分な混合気形成期間を確保することができる。従って、燃料の気化性能の向上に優れる圧縮行程噴射に、吸気行程噴射を組み合わせることは、混合気の着火性及び燃焼安定性の向上に、極めて有利になる。

ここで、吸気行程噴射は、エンジン１の負荷が比較的低い領域であれば、吸気負圧による減圧沸騰効果によって燃料の気化に有利になるところ、ここではエンジン１の負荷が高くて吸気負圧が低いことから、減圧沸騰効果による燃料の気化は、ほとんど期待することができない。従って、冷間高負荷時に圧縮行程噴射を行うことは、吸気負圧が利用できないときに、燃料の気化を可能にするという利点がある。

尚、例えば、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁のみを備えたエンジンにおいては、吸気行程噴射しか行うことができない。このようなエンジンにおいては、燃料の気化率が低くなる冷間高負荷時には、燃料の気化を確保するために吸気負圧を利用せざるを得ない。そのため、例えばスロットル弁５７を絞って吸気負圧を大きくすることが行われる。つまり、冷間高負荷時に吸気行程噴射のみを行う構成では、充填効率が大きく制限され、それに伴い、最大トルクも大きく制限されてしまうことになる。

これに対し、冷間高負荷時に、吸気行程噴射と圧縮行程噴射との双方を行う前記の構成では、前述したように、圧縮行程噴射によって燃料の気化を確保することが可能になることから、吸気負圧を大きくしなければならないという制約はなくなる。このことは、冷間高負荷時において、吸気負圧の確保に起因する最大充填効率の制限を無くし、最大トルクを高くすることを可能にする。尚、直噴の燃料噴射弁５３に加えて、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備えるようにしてもよい。

吸気行程噴射及び圧縮行程噴射を行うエンジン１の冷間時に対し、エンジン１の温間時には、燃料のエタノール濃度に拘わらず、気化率が比較的高くなる。このため、圧縮行程噴射によって気化率を高める必要性に乏しい。そこで、吸気行程中のみに燃料を噴射する。このことによって、吸気流動の利用と、十分な混合気形成期間の確保とによって、混合気の均質化が図られるから、燃焼安定性が高まる。尚、燃料の気化性能が高くなる温間時には、高い燃料圧力が不要であるため、燃料圧力を相対的に低くする。このことは、エンジンの機械抵抗を低減し、燃費の向上に有利になる。

そうして、このエンジンシステムでは、冷間高負荷時には、燃料の気化率が低いときほど、充填効率の上限値を低く設定する（つまり、最大充填効率を低く設定する）。これは、スロットル弁５７の最大開度を小さくすることに相当する。

図５は、燃料の気化率に対する最大充填効率の制限量の関係の一例を示している。この関係式は、例えば実験等に基づいて予め設定された上で、エンジン制御器１００に記憶されている。最大充填効率の制限量は、最大充填効率の低下量と言い換えることが可能であり、最大充填効率の制限量が大きいことは、最大充填効率を低く設定することに対応し、最大充填効率の制限量が小さい、又は０であることは、最大充填効率を高く設定する、又は最大充填効率を制限しないことに対応する。図５に例示する関係式では、所定の気化率ｒ_１を超えるときには、最大充填効率の制限量を０にする一方で、当該所定の気化率ｒ_１以下のときには、気化率が低いほど、最大充填効率の制限量を大に設定する。前述したように、エンジン１の温度状態が低いときには、燃料の気化率が低くなることから、図５の関係式は、言い換えると、エンジン１の水温が所定値を超えるときには、最大充填効率の制限量を０にする一方で、水温が所定値以下のときには、水温が低いほど、最大充填効率の制限量を大に設定することになる。また、低温条件下では、燃料のエタノール濃度が高いときには、燃料の気化率が低くなることから、燃料のエタノール濃度が所定値未満のときには、最大充填効率の制限量を０にする一方で、エタノール濃度が所定値以上のときには、エタノール濃度が高いほど、最大充填効率の制限量を大に設定する、と言い換えることもできる。

このように最大充填効率の上限値を低く設定することにより、アクセル開度を全開にしたときの全開トルクは制限されるものの、燃料噴射弁５３が噴射する燃料量を少なくすることが可能になる。これは、燃料圧力の低下を抑制し、燃費の悪化を回避すると共に、排気エミッション性能の悪化を回避する。

つまり、前述したように、冷間高負荷時には、低い温度に起因して気化率が低くなることも相まって、燃料噴射量が多くなる。特に燃料のエタノール濃度が高いときには、ガソリン濃度が高いときと比較して、燃料噴射量はさらに多くなり、結果として、１サイクル中に、燃料噴射弁５３が噴射する燃料噴射量は、極めて多くなる。そのため、エンジン１の全開負荷状態が継続するようなときには、極めて多い燃料噴射量が継続することになる。一方で、前述したように、燃料供給システム５４におけるエンジン駆動の高圧ポンプは、その容量が比較的小さいため、極めて多い燃料噴射量が継続してしまうと、燃料圧力の昇圧が間に合わなくなる。そうして、燃料圧力が次第に低下してしまうようになる。燃料圧力の低下は、燃料の微粒化を悪化させ、燃料の気化性能の悪化を招く。その結果、燃焼性が低下して、燃料噴射量に見合うだけのトルクが発生しなくなる。

これに対し、最大充填効率の上限値を低く設定することは、エンジン１が全開負荷で運転されるときでも、燃料量の最大値が少なくなる。そのため、比較的小容量の高圧ポンプであっても、高い燃料圧力を維持することが可能になる。こうして、燃焼性が低下してしまう事態が回避されるため、燃費の悪化を回避することができると共に、未燃燃料も減ることで排気エミッション性能の悪化も回避される。

ここで、図６に示すタイムチャートを参照しながら、冷間高負荷時のエンジン制御について、さらに説明をする。図６は、エンジン１の冷間時にアクセル開度を全開にしたときの、アクセル開度の変化（図６の下図）と、それに伴う充填効率の変化（図６の上図）の一例とを示している。これは、エンジンの冷間始動後、停止状態から、運転者がアクセル開度を全開にまで踏み込むような状況に相当する。図６の上図において一点鎖線で示すラインは、図３に示すように、冷間時に吸気行程と圧縮行程とのそれぞれにおいて燃料噴射を行う場合の最大充填効率に相当する。

先ず、図６の下図に示すようにアクセル開度が全開になることに伴い、図６の上図に示すように、充填効率は、全開のアクセル開度に対応する所定値になる。ここで、図６においては、燃料の気化率が低いため図５の関係式に従い、図６に一点鎖線で示す最大充填効率よりも、充填効率の上限値が低く設定されている（つまり、最大充填効率が制限されている。実線参照）とする。エンジン制御器１００は、スロットル弁５７の開度を最大開度よりも低い開度に制限し、このことにより最大充填効率が制限される。このように充填効率を制限する分だけ、燃料噴射弁５３が噴射する燃料量は少なくなる。そのため、高圧ポンプの容量が比較的小さくても、アクセルの全開状態が継続するような状況において、燃料圧力が次第に低下する事態を回避することが可能になる。高い燃料圧力により燃料の微粒化を良好にして、燃料の気化性能の悪化が回避されることで、全開トルクを比較的高い状態で維持することが可能になる。

尚、このような全開負荷を継続することにより、エンジン１の温度は速やかに上昇する。これに伴い、気筒１１内に供給した燃料の気化率も次第に高くなるから、図５に示すように、最大充填効率の制限量は、次第に０に近づくようになる。そうして、エンジン１が半暖機又は温間状態へと移行すれば、最大充填効率の制限量は０になる。このように、最大充填効率が制限される期間は比較的短く、全開負荷を継続することにより、最大トルクが次第に高まることになる。これは、加速フィールの低下を抑制する上に有効である。

図６に実線で示すように、前述したエンジン制御は、最大充填効率を制限するだけであり、アクセル開度の変化に対する、スロットル弁５７の開度変更の応答性は、冷間高負荷時とは異なる通常時と変わらない。このことによって、運転者のアクセルペダルの操作に対しトルクが追従するため、運転者の違和感を無くし、加速フィールも良好になる。また、全開まで踏み込まないようなアクセル操作のときには、最大充填効率の制限は関係しなくなる。つまり、冷間時においても低負荷乃至中負荷時には、本制御は行われないことと等価である。このこともまた、運転者の違和感を無くす上で有利になる。

これに対し、図６の上図に破線で示すように、アクセル開度の変化に対する、スロットル弁５７の開度変更の応答性を遅らせることによって燃料噴射量を制限し、よって、燃料圧力が次第に低下する事態を回避する制御も考えられる。しかしながら、このような制御は、運転者のアクセルペダルの操作に対して、トルクが追従しないことから、運転者の違和感を招くと共に、加速フィールも悪化してしまう。本制御は、このような過渡制御とは異なる制御である。

図６の上図において二点鎖線で示すラインは、吸気行程のみにおいて燃料噴射を行う場合の最大充填効率に相当する。前述したように、冷間高負荷時に、吸気行程噴射のみを行う場合は、吸気負圧を確保するためにスロットル弁５７を絞ることになるため、最大充填効率は０．４程度にしかならない。

これに対し、冷間高負荷時に圧縮行程噴射を行うことは、燃料の気化性能が確保可能であるから、冷間高負荷時における最大充填効率は、吸気行程噴射のみを行う場合と比較して大幅に高くすることが可能である。燃料の気化率に応じて、充填効率の上限値を低く設定するものの、最大充填効率が大幅に高くなっているため、充填効率の上限値を０．５〜０．７以上にすることが可能である。つまり、本制御では、最大充填効率を制限したとしても、比較的高い全開トルクを達成することが可能であり、冷間燃費と冷間走行性とが高いレベルで両立する。

この点に関し、図７は、燃料噴射形態の相違について、全開トルクを比較している。図７では、使用する燃料をエタノール濃度が高いＥ９５としており、低温時には、気化率が低くなる。また、図７では、エンジンの温度変化に伴い、燃料噴射時期の変更や、最大充填効率の制限等を行うものの、点火タイミング等のその他の制御パラメータは、同じに設定している。

先ず、図７の二点鎖線は、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁のみを備えたエンジンの全開負荷を示している。これは、冷間時（−５℃）に吸気行程噴射のみを行う場合に相当する。前述の通り、冷間時に吸気行程噴射のみを行う場合は、全開トルクが低くなる。

これに対し、同図に「バツ」で示す線は、冷間時に吸気行程噴射及び圧縮行程噴射を行う場合の全開負荷である。吸気行程噴射のみを行う場合と比較して、全開トルクが大幅に高くなっている。

また、同図に「白三角」で示す線は、エンジンの温度状態が高まった（２０℃、半暖機）ときでかつ、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射を行う場合の全開負荷である。最大充填効率の制限が緩和される結果、冷間時と比較して全開トルクが高くなっている。さらに、同図に「黒四角」で示す線は、エンジンの温度状態がさらに高まって、温間状態（９０℃）になったときの全開負荷である。温間時であるため、燃料噴射は吸気行程のみに行うと共に、最大充填効率の制限も無い。ここでは、温間時に吸気行程噴射のみを行うことで、吸気の冷却効果により充填効率が高まる結果、全開トルクが大幅に高くなる。

尚、前記の構成はＦＦＶ用のエンジンを対象としているが、ここに開示する技術は、ＦＦＶでなくても、アルコールを始めとした特殊燃料を含有する燃料が供給される火花点火式エンジンについて、広く適用することが可能である。

また、前記の構成では、圧縮行程中の噴射や、吸気行程中の噴射を一括噴射にしているが、これらをそれぞれ、複数回の分割噴射にしてもよい。

１ エンジン（エンジン本体）
１１ 気筒
１００ エンジン制御器
５３ 燃料噴射弁（燃料供給機構）
５４ 燃料供給システム（燃料供給機構）
５７ スロットル弁

Claims (4)

1. 特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率の低い特殊燃料を含む燃料が供給されるように構成されたエンジン本体、
   前記エンジン本体に設けられた気筒内に、所定圧力に昇圧した前記燃料を供給するように構成された燃料供給機構、及び、
   少なくとも前記燃料供給機構の制御を通じて前記エンジン本体を運転するように構成された制御器、を備え、
   前記制御器は、前記エンジン本体の温度状態が所定温度以下の冷間時でかつ、アクセルペダルの操作によって前記エンジン本体の負荷状態が所定負荷以上となる高負荷時には、前記気筒が吸気行程にあるときと圧縮行程にあるときとに、前記燃料供給機構を通じて前記燃料を前記気筒内に供給すると共に、前記気筒内に供給した前記燃料の前記気化率が低いときほど、前記気筒内に吸入する空気が少なくなるように、前記エンジン本体の充填効率の上限値を低く設定する火花点火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記制御器は、前記気筒内に供給する前記燃料における、前記特殊燃料の濃度が高いほど、前記エンジン本体の充填効率の上限値を低く設定する火花点火式エンジンの制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記制御器は、前記エンジン本体の温度状態が低いほど、前記エンジン本体の充填効率の上限値を低く設定する火花点火式エンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記気筒内に充填する新気量を調整するよう構成されたスロットル弁をさらに備え、
   前記制御器は、アクセル開度情報を受けると共に、前記スロットル弁の開度を、当該アクセル開度に応じた開度に調整し、
   前記制御器はまた、前記制御器は、前記エンジン本体の温度状態が所定温度以下の冷間時でかつ、前記エンジン本体の負荷状態が所定負荷以上の高負荷時には、前記アクセル開度の変化に対し、所定の制御応答性でもって前記スロットル弁の開度を変更すると共に、前記気筒内に供給した前記燃料の前記気化率が低いときほど、前記スロットル弁の上限開度を低く設定する火花点火式エンジンの制御装置。

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