火花点火式发动机的控制方法及火花点火式发动机
阅读：209发布：2020-05-18
专利汇可以提供火花点火式发动机的控制方法及火花点火式发动机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及火花点火式 发动机 的控制方法及火花点火式发动机。在本发明中，可确实避免发生早燃。本发明的控制方法实施根据发动机的转速（Ne）和负荷（Ce）及环境条件推定不发生早燃的有效压缩比的上限值的极限有效压缩比（CR_max）的工序；推定当前有效压缩比（CR）的工序；计算作为裕度（CR_mrg）的从极限有效压缩比（CR_max）中减掉有效压缩比（CR）的值的工序；降低发动机主体的有效压缩比（CR），使裕度（CR_mrg）达到不随着环境条件变化而设定为一定值的最小裕度（CR_mrg0）以上的工序。，下面是火花点火式发动机的控制方法及火花点火式发动机专利的具体信息内容。
1.一种火花点火式发动机的控制方法，所述方法是控制具备对形成于发动机主体的汽缸内的混合气能进行火花点火的火花塞和能改变所述发动机主体的有效压缩比的有效压缩比改变单元的火花点火式发动机的方法，包括：
根据发动机的转速、负荷以及发动机运行的环境条件，推定作为不发生比火花点火引起的正常的燃烧开始时期早地使混合气自燃的早燃的上限的有效压缩比的极限有效压缩比的极限有效压缩比推定工序；
计算当前有效压缩比的有效压缩比计算工序；
计算作为裕度的从上述极限有效压缩比中减掉有效压缩比的值的裕度计算工序；
以及在所述裕度小于预先设定的最小裕度的情况下，通过所述有效压缩比改变单元降低所述发动机主体的有效压缩比，以此使所述裕度达到所述最小裕度以上的有效压缩比降低工序；上述最小裕度至少不随着所述环境条件变化而设定为一定值。
2.根据权利要求1所述的火花点火式发动机的控制方法，其特征在于，在所述极限有效压缩比推定工序中，至少根据包含于上述环境条件的供给至汽缸内的燃料的辛烷值、吸入至汽缸的进气的温度及用于冷却所述发动机主体的冷却水的温度推定所述极限有效压缩比。
3.根据权利要求1所述的火花点火式发动机的控制方法，其特征在于，
所述有效压缩比改变单元能改变设置于所述发动机主体的进气门的闭阀时期；
在所述有效压缩比降低工序中，通过改变所述进气门的闭阀时期，降低所述发动机主体的有效压缩比。
4.根据权利要求2所述的火花点火式发动机的控制方法，其特征在于，
所述有效压缩比改变单元能改变设置于所述发动机主体的进气门的闭阀时期；
在所述有效压缩比降低工序中，通过改变所述进气门的闭阀时期，降低所述发动机主体的有效压缩比。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的火花点火式发动机的控制方法，其特征在于，至少在设定于发动机温态下的低旋转且高负荷区域的特定运行区域中实施所述有效压缩比降低工序。
6.根据权利要求5所述的火花点火式发动机的控制方法，其特征在于，在上述特定运行区域中，在比压缩上死点滞后的正时通过所述火花塞对混合气进行火花点火。
7.根据权利要求6所述的火花点火式发动机的控制方法，其特征在于，
使用能向汽缸内喷射燃料的喷射器；
在所述特定运行区域中，实施在设定于压缩工序中的后期喷射正时从所述喷射器向汽缸内喷射燃料的后期喷射，同时实施在设定于比所述后期喷射正时位于提前侧的正时从所述喷射器向汽缸内喷射燃料的前期喷射。
8.根据权利要求7所述的火花点火式发动机的控制方法，其特征在于，
使用能检测所述早燃的检测单元；
在通过所述检测单元检测到早燃的情况下，包含通过上述有效压缩比改变单元将所述发动机主体的有效压缩比降低规定量的早燃停止用有效压缩比降低工序；以及从实施上述早燃停止用有效压缩比降低工序开始到完成上述发动机主体的有效压缩比的降低之前的过渡期内使基于从上述喷射器喷射的燃料的汽缸内的空燃比暂时变浓的过渡控制工序。
9.一种火花点火式发动机，包括：
对形成于发动机主体的汽缸内的混合气能进行火花点火的火花塞，能改变所述发动机主体的有效压缩比的有效压缩比改变单元，以及控制所述有效压缩比改变单元的动作的控制单元；
所述控制单元根据发动机的转速、负荷以及发动机运行的环境条件，推定作为不发生比火花点火引起的正常的燃烧开始时期早地使混合气自燃的早燃的上限的有效压缩比的极限有效压缩比，并计算作为当前有效压缩比的有效压缩比，同时计算作为裕度的从上述极限有效压缩比中减掉有效压缩比的差值，并在所述裕度小于预先设定的最小裕度的情况下，使所述有效压缩比改变单元动作，降低所述发动机主体的有效压缩比，以此使所述裕度达到所述最小裕度以上；
上述最小裕度至少不随着所述环境条件变化而设定为一定值。
10.根据权利要求9所述的火花点火式发动机，其特征在于，所述控制单元至少根据包含于上述环境条件的供给至汽缸内的燃料的辛烷值、吸入至汽缸的进气的温度及用于冷却所述发动机主体的冷却水的温度推定所述极限有效压缩比。
11.根据权利要求9所述的火花点火式发动机，其特征在于，
所述有效压缩比改变单元能改变设置于所述发动机主体的进气门的闭阀时期；
所述控制单元在所述裕度小于预先设定的最小裕度的情况下通过所述有效压缩比改变单元改变所述进气门的闭阀时期。
12.根据权利要求10所述的火花点火式发动机，其特征在于，
所述有效压缩比改变单元能改变设置于所述发动机主体的进气门的闭阀时期；
所述控制单元在所述裕度小于预先设定的最小裕度的情况下通过所述有效压缩比改变单元改变所述进气门的闭阀时期。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的火花点火式发动机，其特征在于，所述控制单元至少在设定于发动机温态下的低旋转且高负荷区域的特定运行区域中使所述有效压缩比改变单元动作，降低所述发动机主体的有效压缩比。
14.根据权利要求13所述的火花点火式发动机，其特征在于，上述控制单元在所述特定运行区域中在比压缩上死点滞后的正时通过所述火花塞对混合气进行火花点火。
15.根据权利要求14所述的火花点火式发动机，其特征在于，
具备能向汽缸内喷射燃料的喷射器；
所述控制单元能控制所述喷射器的动作，在所述特定运行区域中，在设定于压缩工序中的后期喷射正时从所述喷射器向汽缸内喷射燃料，同时在设定于比所述后期喷射正时位于提前侧的正时从所述喷射器向汽缸内喷射燃料。
16.根据权利要求15所述的火花点火式发动机，其特征在于，
具备能检测所述早燃的检测单元；
所述控制单元在通过所述检测单元检测到早燃的情况下，通过上述有效压缩比改变单元将所述发动机主体的有效压缩比降低规定量，同时在开始降低该有效压缩比至完成该降低之前的过渡期内使基于从上述喷射器喷射的燃料的汽缸内的空燃比暂时变浓。
火花点火式发动机的控制方法及火花点火式发动机
技术领域
背景技术
[0002] 以往，人们进行着为了抑制比火花点火的正常燃烧开始时期早地使混合气发生自燃的现象的早燃（preignition）的控制方法的开发。在发生早燃时，随着在早期开始燃烧，燃烧变得急剧化，其结果是有可能会使发动机噪声变大，同时使发动机振动变大，从而引起活塞等的损伤。因此，需要确实避免发生早燃。
发明内容
[0004] 作为当有效压缩比增加至其以上时发生早燃的阈值的有效压缩比的上限值由非常多的环境条件决定，并且很难正确掌握随着这些环境条件的变化而引起的所述上限值的全部变化。于是，在没有适当地掌握该上限值的变化的情况下，有效压缩比超出实际的上限值，有可能会发生早燃。
[0005] 本发明是鉴于上述情况而形成的，其目的是确实避免发生早燃。
[0006] 为了解决上述问题，本发明提供一种控制具备对形成于发动机主体的汽缸内的混合气能进行火花点火的火花塞和能改变所述发动机主体的有效压缩比的有效压缩比改变单元的火花点火式发动机的方法，其中，包含：根据发动机的转速、负荷以及发动机运行的环境条件，推定作为不发生比火花点火引起的正常的燃烧开始时期早地使混合气自燃的早燃的上限的有效压缩比的极限有效压缩比的极限有效压缩比推定工序；计算当前有效压缩比的有效压缩比计算工序；计算作为裕度的从上述极限有效压缩比中减掉有效压缩比的值的裕度计算工序；以及在所述裕度小于预先设定的最小裕度的情况下，通过所述有效压缩比改变单元降低所述发动机主体的有效压缩比，以此使所述裕度达到所述最小裕度以上的有效压缩比降低工序；上述最小裕度至少不随着所述环境条件变化而设定为一定值。
[0007] 又，本发明提供一种具备对形成于发动机主体的汽缸内的混合气能进行火花点火的火花塞和可以改变所述发动机主体的有效压缩比的有效压缩比改变单元以及控制所述有效压缩比改变单元的动作的控制单元的火花点火式发动机，其中，所述控制单元根据发动机的转速、负荷以及发动机运行的环境条件，推定作为不发生比火花点火引起的正常的燃烧开始时期早地使混合气自燃的早燃的上限的有效压缩比的极限有效压缩比，并计算作为当前有效压缩比的有效压缩比，同时计算作为裕度的从上述极限有效压缩比中减掉有效压缩比的差值，并在所述裕度小于预先设定的最小裕度的情况下，使所述有效压缩比改变单元动作，降低所述发动机主体的有效压缩比，以此使所述裕度达到所述最小裕度以上；上述最小裕度至少不随着所述环境条件变化而设定为一定值。
[0008] 在这样的发明中，在发动机的转速及负荷的基础上，还根据环境条件推定不发生早燃的上限值的极限有效压缩比，并且当前有效压缩比维持在比从该极限有效压缩比减掉最小裕度的值小的值。因此，可以对应于环境条件以更高的精度推定极限有效压缩比，即使在该推定中产生误差的情况下，也能将有效压缩比确实抑制在极限有效压缩比以下，从而确实避免早燃。而且，由于作为有效压缩比相对于极限有效压缩比的裕度的最小值的最小裕度不随着环境条件变化而保持一定值，因此即使环境条件发生变化也能确实保证规定的裕度。
[0009] 在这里，本发明人发现在上述环境条件中燃料的辛烷值、进气的温度及冷却水的温度对早燃的发生可能性带来大的影响。因此，在本发明的火花点火式发动机的控制方法中，最好是在所述极限有效压缩比推定工序中至少根据包含于上述环境条件的供给至汽缸内的燃料的辛烷值、吸入至汽缸的进气的温度及用于冷却所述发动机主体的冷却水的温度推定所述极限有效压缩比。
[0010] 又，在本发明的火花点火式发动机中，最好是所述控制单元至少根据包含于上述环境条件的供给至汽缸内的燃料的辛烷值、吸入至汽缸的进气的温度及用于冷却所述发动机主体的冷却水的温度推定所述极限有效压缩比。
[0011] 在本发明的火花点火式发动机的控制方法中，最好是所述有效压缩比改变单元能改变设置于所述发动机主体的进气门的闭阀时期；在所述有效压缩比降低工序中，通过改变所述进气门的闭阀时期，降低所述发动机主体的有效压缩比。
[0012] 又，在本发明的火花点火式发动机中，最好是所述有效压缩比改变单元能改变设置于所述发动机主体的进气门的闭阀时期；所述控制单元在所述裕度小于预先设定的最小裕度的情况下通过所述有效压缩比改变单元改变所述进气门的闭阀时期。
[0013] 这些形态不同于例如通过改变活塞的行程量降低发动机的几何压缩比本身的情况，可以用更简单地结构降低有效压缩比。
[0014] 在本发明的火花点火式发动机的控制方法中，最好是至少在设定于发动机温态下的低旋转且高负荷区域的特定运行区域中实施所述有效压缩比降低工序。
[0015] 又，在本发明的火花点火式发动机中，最好是所述控制单元至少在设定于发动机温态下的低旋转且高负荷区域的特定运行区域中使所述有效压缩比改变单元动作，降低所述发动机主体的有效压缩比。
[0016] 根据这样的形态，在由于汽缸内部容易变成高温·高压化且燃料暴露于这样的环境下的实际时间（受热期间）变长而最容易发生早燃的运行条件下，可以适当地监视有无早燃，因此可以抑制早燃。
[0017] 在本发明的火花点火式发动机的控制方法中，最好是在上述特定运行区域中在比压缩上死点滞后的正时通过所述火花塞对混合气进行火花点火。
[0018] 又，在本发明的火花点火式发动机中，最好是上述控制单元在上述特定运行区域中在比压缩上死点滞后的正时通过所述火花塞对混合气进行火花点火。
[0019] 根据这样的形态，在比压缩上死点位于滞后侧开始燃烧时，可以降低汽缸内的温度，抑制早燃的发生，同时由于在点火后的燃烧过程中难以发生未燃混合气（尾气）的自燃，因此可以有效抑制爆震的发生。
[0020] 在本发明的火花点火式发动机的控制方法中，最好是使用能向汽缸内喷射燃料的喷射器；并在所述特定运行区域中，实施在设定于压缩工序中的后期喷射正时从所述喷射器向汽缸内喷射燃料的后期喷射，同时实施在设定于比所述后期喷射正时位于提前侧的正时从所述喷射器向汽缸内喷射燃料的前期喷射。
[0021] 又，在本发明的火花点火式发动机中，最好是具备能向汽缸内喷射燃料的喷射器；所述控制单元能控制所述喷射器的动作，在所述特定运行区域中，在设定于压缩工序中的后期喷射正时从所述喷射器向汽缸内喷射燃料，同时在设定于比所述后期喷射正时位于提前侧的正时从所述喷射器向汽缸内喷射燃料。
[0023] 又，在本发明的火花点火式发动机的控制方法中，最好是使用能检测所述早燃的检测单元；在通过所述检测单元检测到早燃的情况下，包含通过上述有效压缩比改变单元将所述发动机主体的有效压缩比降低规定量的早燃停止用有效压缩比降低工序和从实施上述早燃停止用有效压缩比降低工序开始到完成上述发动机主体的有效压缩比的降低之前的过渡期内使基于从上述喷射器喷射的燃料的汽缸内的空燃比暂时变浓的过渡控制工序。
[0024] 又，在本发明的火花点火式发动机中，最好是具备能检测所述早燃的检测单元；所述控制单元在通过所述检测单元检测到早燃的情况下，通过上述有效压缩比改变单元将所述发动机主体的有效压缩比降低规定量，同时在开始降低该有效压缩比至完成该降低之前的过渡期内，使基于从上述喷射器喷射的燃料的汽缸内的空燃比暂时变浓。
[0025] 根据这样的形态，在意外发生早燃的情况下，也可以通过降低有效压缩比停止早燃。而且，有效压缩比降低之前的过渡期内，在浓（λ＞1）的环境下可以适当地降低汽缸内温度，同时在完成有效压缩比的降低之后立即恢复（λ=1附近），从而可以尽可能地在短时间内结束浓状态下的燃烧。
[0027] 图1是示出根据本发明的一实施形态的发动机的整体结构的图；图2是用于说明上述发动机具备的离子电流传感器的结构的示意图；
图3是示出上述发动机的控制系统的框图；
图4是容易发生早燃的特定运行区域的说明图；
图5是用于说明早燃的检测方法的图；
图6是示出在上述特定运行区域中实施的控制动作的流程图；
图7是示出包含于图6的流程图中的早燃停止控制的具体内容的子程序；
图8是示出燃料的喷射时期的图，图8（a）示出通常时候的喷射时期，图8（b）示出在特定运行区域中的喷射时期；
图9是以时序示出早燃停止控制的动作示例的时序图；
图10是示出早燃裕度维持控制的控制结果示例的图。
图3是示出上述发动机的控制系统的框图；
图4是容易发生早燃的特定运行区域的说明图；
图5是用于说明早燃的检测方法的图；
图6是示出在上述特定运行区域中实施的控制动作的流程图；
图7是示出包含于图6的流程图中的早燃停止控制的具体内容的子程序；
图8是示出燃料的喷射时期的图，图8（a）示出通常时候的喷射时期，图8（b）示出在特定运行区域中的喷射时期；
图9是以时序示出早燃停止控制的动作示例的时序图；
图10是示出早燃裕度维持控制的控制结果示例的图。
具体实施方式
[0028] （1）发动机的整体结构图1是示出根据本发明的一实施形态的发动机的整体结构的图。该图所示的发动机是以汽油作为燃料的火花点火式的多汽缸汽油发动机。该发动机具有发动机主体1，该发动机主体1包含具备有在与纸面正交的方向排列的多个汽缸2（图中仅显示其中的一个）的汽缸体3和设置于汽缸体3上的汽缸盖4。并且，该发动机是车载用发动机，且作为驱动车辆的动力源配设于图外的发动机室中。
[0030] 在上述汽缸体3中设置有将上述曲轴7的转速作为发动机的转速进行检测的发动机转速传感器30。
[0031] 在上述活塞5的上方形成有燃烧室6。进气道9及排气道10在燃烧室6上有开口。在汽缸盖4上分别设置有开闭进气道9、排气道10的进气门11及排气门12。进气门11及排气门12分别通过包含有配设于汽缸盖4的一对凸轮轴（图示省略）等的阀动机构13、14与曲轴7的旋转连动并进行开闭驱动。
[0032] 用于上述进气门11的阀动机构13包含VVT 15。VVT 15是称为可变气门正时机构（Variable Valve Timing Mechanism）的装置，可变地设定进气门11的动作正时。包含作为进气门11的实际关闭时期的实闭时期IVC_r的进气门11的动作正时，通过设置于VVT15的凸轮角传感器38检测。
[0033] 作为上述VVT 15，多种形式的装置已被实用化并已公知，例如可以将液压式的可变机构作为上述VVT 15应用。并且，虽然图示省略，但是该液压式的可变机构具有与进气门11用的凸轮轴同轴配置的从动轴以及在凸轮轴和从动轴之间以周向排列配置的多个液室。这些各液室之间形成有规定压力差，从而在上述凸轮轴和从动轴之间形成有相位差。于是，该相位差设定为在规定角度范围内可变，从而进气门11的动作正时连续地变化。
[0034] 又，作为上述VVT 15，也可以设置通过改变气门升程量来改变进气门11的关闭时期的类型的可变机构。并且，也可以将该升程式可变机构和上述相位式可变机构组合应用。
[0035] 在上述发动机主体1的汽缸盖4上，对于各个汽缸2设置有一组火花塞16及喷射器18。
[0036] 上述喷射器18设置为从进气侧的侧方面向燃烧室6，并由其前端部喷射从图外的燃料供给管供给的燃料（汽油）。从上述喷射器18向燃烧室6喷射燃料时，喷射的燃料与空气混合，在燃烧室6中生成具有期望的空燃比的混合气。
[0037] 上述火花塞16设置为从上方面向燃烧室6，且响应于图外的点火电路的供电从前端部放电并产生火花。在规定的正时从上述火花塞16放电并产生火花时，以此混合气开始燃烧。
[0038] 上述火花塞16中内设有用于检测燃烧室6中混合气燃烧而生成的火焰的离子电流传感器34。如图2所示，该离子电流传感器34将规定的偏置电压（例如100V左右）施加于火花塞16的电极，以此检测在上述电极周围形成火焰时生成的离子电流。在本实施形态中，利用该离子电流传感器34检测有无早燃。具体是，由后述ECU 40的早燃判定手段根据离子电流传感器34的检测值判断有无早燃。
[0039] 早燃是指燃烧室6的温度及压力过度上升等原因引起的比火花点火的正常燃烧开始时期早地使混合气发生自燃的异常燃烧现象。在早燃中，燃烧随着早期混合气的自燃而变得急剧化。由此，发动机噪声变得相当大，同时发动机振动变大，从而有可能会出现活塞等的损伤。于是，如后文所述，在本发动机中实施控制以避免发生早燃，同时利用该离子电流传感器34检测有无早燃，在检测出早燃的时候实施迅速停止早燃的控制措施。
[0040] 根据图5的图表具体说明利用上述离子电流传感器34的早燃的检测方法。该图表中，实线的波形J0示出混合气因火花点火IG而正常燃烧的情况下的热释放率的分布（时间变化）。并且，点划线J1示出发生早燃时的热释放率的分布。
[0041] 从正常燃烧时的波形J0可知，在正常燃烧时，用火花塞16进行火花点火时，通常从火花点火起在规定的延迟时间之后开始燃烧。因此，燃烧进行至用离子电流传感器34能检测到火焰的程度的时间点（实质性的燃烧开始时期）t0比火花点火IG的时间点延迟规定的曲轴角。并且，图例中火花点火IG的正时比压缩上死点（压缩行程和膨胀行程之间的上死点）TDC稍微设定于滞后侧，在比这位于更滞后侧的正时t0开始实质性的燃烧。
[0042] 另一方面，由早燃时的波形J1明显可知，发生早燃时，比正常的燃烧开始时期t0早地（在图例中比压缩上死点TDC稍早的时间点t1）开始燃烧，与此同时燃烧变得急剧化。于是，在该实施形态中，当上述离子电流传感器34在比正常的燃烧开始时期t0提前了规定的判定时间以上的时间点上检测出火焰时，所述早燃判定手段42判断为发生早燃。
[0043] 又，为了以更高的精度检测出早燃，所述判定时间优选为小。但是，该判定时间过小时，即使是正常的燃烧，其开始时期的较小偏移也会判断成早燃，从而影响控制的稳定性，并且，原来，由于从紧邻火花点火IG之前到火花点火IG之后经过规定时间的期间（图5的期间Z）为了进行火花点火IG而火花塞16的电极间的电压变化大，因此在该期间Z内无法检测出离子电流。于是，考虑这种控制的稳定性及系统上的制约，在本实施形态中，若离子电流传感器34的火焰检测正时提前至比上述电压变化期间Z稍早的时期（例如时间点t1左右），则判断为发生早燃。
[0044] 又，在上述汽缸体3中设置有检测汽缸体3的振动、即爆震的振动传感器33（所谓爆震传感器）。具体是，振动传感器33检测汽缸体3的振动强度的最大值，后述ECU 40利用该检测值检测有无规定值以上强度的振动的爆震。
[0045] 爆震是混合气因火花点火而开始燃烧（火焰传播燃烧）后，其火焰传播的过程中混合气的未燃烧成分（尾气）自燃的现象。在发生该爆震的情况下，也会使发动机噪声变大，同时有可能会发生活塞的破损等。于是，在本发动机中利用该振动传感器33检测有无爆震。具体是，当振动传感器33检测的发动机主体1的振动强度超出规定的基准水平时，ECU 40的爆震判定手段（未图示）判断为发生爆震。而且，检测到爆震时实施避免爆震的控制措施。
[0046] 又，爆震在火焰的生成时期从正常的燃烧时起不会发生变化，因此难以用前述离子电流传感器34检测有无爆震。另一方面，在早燃发生时发动机振动也会变大。因此，利用该振动传感器33可以检测早燃。于是，从减少传感器数量等的观点考虑，也可以省略前述离子电流传感器34而用振动传感器33检测早燃，但是在本实施形态中，具备这两个传感器33、34，并用离子电流传感器34检测早燃。
[0047] 又，在本实施形态中，该振动传感器33的检测值也用于推定从前述喷射器18喷射的燃料的辛烷值。具体是，由后述ECU 40的辛烷值推定手段46利用该检测值推定燃料的辛烷值。该辛烷值的推定值使用于后述的早燃裕度维持控制。
[0048] 燃料的辛烷值、即耐爆震性越高，汽缸体3的振动强度越小。因此，辛烷值推定手段46推定为用振动传感器33检测的汽缸体3的振动强度的最大值越大，辛烷值越小。具体是，预先通过实验等求出对应于汽缸体3的振动强度的最大值的辛烷值的图并储存于后述ECU的存储手段41，辛烷值推定手段46从该图中将与振动传感器33检测出的振动强度的最大值对应的值推定为当前的辛烷值。
[0049] 在此，前述振动强度的最大值，不仅随着燃料的辛烷值而发生变化，而且在发动机主体1的几何压缩比变化的情况下（发动机主体1的几何压缩比因生产变动及在进气门等上的碳的附着等而发生变化）也会发生变化。具体是，随着几何压缩比增高，压缩端温度增高，燃烧变得急剧化，与此同时汽缸体3的振动强度变大。但是，在本实施形态中，将该振动强度的全部变化假定为辛烷值的变化。其原因是，该辛烷值的推定值是用于推定作为不发生早燃的有效压缩比（根据进气门的闭阀时期规定的实质性的压缩比）的上限值的极限有效压缩比的值，并且对应于该极限有效压缩比的辛烷值和几何压缩比之间的相关关系与对应于振动强度的辛烷值和几何压缩比之间的相关关系一致，因此即使将该振动强度的全部变化假定为辛烷值的变化，也可以适当地推定上述极限有效压缩比。
[0050] 具体是，由于燃料的着火温度随着辛烷值的增高而提高，因此不易发生早燃，极限有效压缩比变大。而且，辛烷值越高，振动强度越小。另一方面，几何压缩比越低，越不容易发生早燃，极限有效压缩比越大。并且，几何压缩比越低，振动强度越小。因此，在本实施形态中，将随着辛烷值的变化和几何压缩比的变化而引起的汽缸体3的振动强度的最大值的变化综合后认为是由辛烷值的变化而引起的变化。
[0051] 又，也可以设置检测汽缸内的压力的缸内压力传感器，利用该缸内压力传感器检测几何压缩比，并从上述振动传感器33的检测值中排除几何压缩比的影响，个别地推定燃料的辛烷值和几何压缩比。
[0052] 再回到图1，说明发动机的整个结构。在上述发动机主体1的汽缸体3及汽缸盖4的内部设置有流通冷却水的水套（图示省略）。在上述汽缸体3中设置有检测该水套内的冷却水温度的发动机水温传感器31。
[0053] 在上述发动机主体1的进气道9及排气道10上分别连接有进气通道20及排气通道21。燃烧用的空气（新气）通过该进气通道20供给至燃烧室6，在燃烧室6内生成的已燃气体（排气）通过上述排气通道21向外排出。
[0054] 在上述进气通道20中设置有调节流入发动机主体1的吸入空气的流量的节气门22，检测吸入空气的流量的空气流量传感器32（图3），以及检测吸入空气的温度的进气温度传感器36。
[0055] 上述节气门22由电子控制式的节气门构成，并响应于由驾驶者踩踏而进行操作的图外的加速器踏板的开度电动地进行开闭驱动。即，在上述加速器踏板上设置有加速器开度传感器35（图3），图外的电动式执行器响应于用该加速器开度传感器35检测出的加速器踏板的开度（加速器开度）对节气门22进行开闭驱动。
[0057] 又，在车辆的规定部位上也设置有检测作为外部气体压力的外气压（大气压）的外气压传感器37（参照图3）。
[0058] （2）控制系统图3是示出发动机的控制系统的框图。该图所示的ECU 40是综合控制发动机各部的控制手段，由众所周知的CPU、ROM、RAM等构成。
[0059] 对上述ECU 40输入来自各种传感器的检测信号。即，ECU 40电连接于上述发动机转速传感器30、发动机水温传感器31、空气流量传感器32、振动传感器33、离子电流传感器34、加速器开度传感器35、进气温度传感器36、外气压传感器37以及凸轮角传感器38，并且作为各个传感器30～38的检测值的发动机转速Ne、冷却水温度Tw、吸入空气量Qa、振动强度Va、离子电流值Io、加速器开度Ac、进气温度Ti、外气压Pa、进气门11的实闭时期IVC_r的信息，依次输入至上述ECU 40。
[0060] 上述ECU 40也与上述VVT 15、火花塞16、喷射器18及节气门22电连接，对这些装置分别输出驱动用的控制信号。
[0061] 要说明上述ECU 40具有的更具体的功能时，作为其主要的功能性要素，上述ECU40具有存储手段41、早燃判定手段42、点火控制手段43、喷射控制手段44、有效压缩比改变手段45、辛烷值推定手段46、极限有效压缩比推定手段47、有效压缩比计算手段48及早燃裕度计算手段49。
[0062] 上述存储手段41存储控制发动机时所需的各种数据及程序。
[0063] 在上述存储手段41中存储有图4所示的特定运行区域R的范围。该特定运行区域R是存在早燃发生可能性的运行区域，并设定在最高负荷线WOT的旁边（即高负荷）且在低旋转附近。
[0064] 即，如上所述，由于早燃是比火花点火的正常燃烧开始时期早地使混合气自燃的现象，因此在燃烧室6内的空气达到高温·高压化且燃料的受热期间（燃料暴露于高温·高压环境下的实际时间）变长的低旋转且高负荷区域下最容易发生早燃。于是，如图4所示，将发动机转速Ne比较低且负荷Ce高的区域设定为存在早燃发生可能性的特定运行区域R。
[0065] 又，发动机处于冷态时，由于燃烧室6的壁温低，因此即使是高旋转且高负荷区域也难以发生早燃。因此，仅在发动机温态（发动机的冷却水温度高的时候）时使用设定有上述特定运行区域R的图（区域判定图）。
[0066] 在上述存储手段41中存储有对应于前述汽缸体3的振动强度的最大值的辛烷值的图。
[0067] 又，在上述存储手段41中存储有作为不发生早燃的有效压缩比的上限值的极限有效压缩比的基准值（基准极限有效压缩比）。该基准极限有效压缩比是根据发动机转速Ne和负荷Ce通过实验或演算而求出的，并在存储手段41中以图的形式存储有对应于发动机转速Ne及负荷Ce的基准极限有效压缩比。
[0068] 前述基准极限有效压缩比是作为由驾驶者的操作决定的发动机转速Ne和负荷Ce构成的操作条件除外的运行条件且不会随着驾驶者的操作而变化的环境条件在规定的基准条件下的值。即，极限有效压缩比除了发动机转速Ne及负荷Ce以外也随着燃料的辛烷值等的环境条件而变化，但是前述基准极限有效压缩比是在规定的辛烷值等的环境条件下的值。
[0069] 此外，对应于进气门11的关闭时期IVC的有效压缩比以图存储在上述存储手段41中。该有效压缩比是通过实验或演算求出的。
[0070] 有效压缩比计算手段48计算当前的发动机主体1的有效压缩比CR。该有效压缩比计算手段48从前述存储手段41中存储的有效压缩比的图中提取对应于当前的进气门11的实闭时期IVC_r的值，并将提取的值决定为当前有效压缩比CR。
[0071] 极限有效压缩比推定手段47推定在当前的运行条件下的极限有效压缩比CR_max。如上所述，极限有效压缩比不仅随着如发动机转速NE和负荷Ce的操作条件而变化，还随着燃料的辛烷值等的环境条件而变化。于是，该极限有效压缩比推定手段47从所述存储手段41中存储的基准极限有效压缩比图中提取对应于当前的发动机转速Ne和负荷Ce的极限有效压缩比的基准值，根据当前的环境条件修正提取的值，将该修正后的值决定为极限有效压缩比CR_max。
[0072] 作为影响极限有效压缩比的环境条件主要有前述燃料的辛烷值、几何压缩比、进气温度、发动机冷却水温度及外气压。即，如前面所述，燃料的辛烷值变小，几何压缩比变大时，容易发生早燃，极限有效压缩比变小。又，进气温度增高，发动机冷却水温度增高，并且外气压甚至进气压（汽缸内的压缩开始压力）增高时，由于压缩端温度以及压力增高，因此容易发生早燃，极限有效压缩比变小。
[0073] 于是，上述极限有效压缩比推定手段47根据该燃料的辛烷值、几何压缩比、进气温度、发动机冷却水温度及外气压修正根据发动机转速Ne和负荷Ce求出的基准极限有效压缩比。具体是，在存储手段41中存储有分别对应于燃料的辛烷值、进气温度、冷却水温度及外气压的极限有效压缩比的修正量，极限有效压缩比推定手段47分别提取对应于由上述辛烷值推定手段46推定的辛烷值、进气温度、冷却水温度及外气压的各值的修正量，利用该修正量修正基准极限有效压缩比，从而推定极限有效压缩比CR_max。
[0074] 于是，如前面所述，由辛烷值推定手段46推定的辛烷值是将几何压缩比和燃料辛烷值加起来换算成辛烷值的值。因此利用该推定出来的辛烷值的修正意味着利用燃料的辛烷值和几何压缩比的修正。
[0075] 上述早燃裕度计算手段49计算在当前的运行条件下到达早燃之前的，即对应于极限有效压缩比的有效压缩比的裕度。具体是，早燃裕度计算手段49将从极限有效压缩比CR_max中减掉有效压缩比CR的值作为裕度CR_mrg来计算（CR_mrg=CR_max-CR）。
[0076] 上述早燃判定手段42根据上述离子电流传感器34的检测值判定是否发生早燃。具体是，当发动机的运行状态处于上述特定运行区域R时，早燃判定手段42从上述离子电流传感器34的检测值特别规定火焰的生成正时（实质性的燃烧开始时期），通过将它与正常的燃烧开始时期比较，判定是否发生早燃。并且，正常的燃烧开始时期的信息是通过实验或演算等预先求出的，并存储于上述存储手段41。
[0078] 例如，如图5所示，在设定于发动机的低旋转且高负荷区域的上述特定运行区域R中，控制上述火花塞16，使进行火花点火（IG）的正时（点火时期）比压缩上死点（TDC）稍微延迟。这样，在容易发生早燃的特定运行区域R中使点火时期比压缩上死点延迟的原因是在容易发生早燃的特定运行区域R中也应该容易发生爆震，因此是为了防止该区域R中的爆震。
[0079] 又，当ECU 40的爆震判定手段（不图示）根据前述振动传感器33的检测值检测到爆震的发生时，该点火控制手段43为了避免该爆震而延迟点火时期。
[0080] 上述喷射控制手段44控制从上述喷射器18向燃烧室6喷射的燃料的喷射量及喷射时期。更具体是，上述喷射器控制手段44根据从发动机转速传感器30输入的发动机转速Ne及从空气流量传感器32输入的吸入空气量Qa等信息，演算作为目标的燃料的喷射量及喷射时期，并根据其演算结果控制喷射器18的开阀开始时期及开阀期间。
[0081] 尤其是，在容易发生早燃的上述特定运行区域R中，上述喷射控制手段44为了预先抑制早燃的发生（即无论早燃发生与否），将应从喷射器18喷射的燃料（一个燃烧周期中应从喷射器18喷射的燃料）的一部分在设定于压缩行程的后期喷射正时进行喷射（后期喷射）的同时在比该后期喷射正时设定于提前侧的前期正时进行喷射（前期喷射）。在本实施形态中，前述后期喷射正时设定于压缩工序的中期以后（参照图8（b））。
[0082] 但是，即使实施如上所述的将一部分燃料在压缩行程中喷射的压缩行程喷射，也会出现在上述特定运行区域R中发生早燃的情况。如后面所述，在这样的情况下上述喷射控制手段44提高来自喷射器18的燃料喷射量，使汽缸内的空燃比（燃烧室6中形成的混合气的空燃比）暂时变浓，从而抑制早燃。
[0083] 上述有效压缩比改变手段45通过驱动上述VVT 15而改变进气门11的关闭时期，以此可变地设定发动机的有效压缩比。即，进气门11的关闭时期通常设定于进气下死点的滞后侧的附近（稍微超过进气下死点的正时），通过设定于这样的正时，一旦被吸入的空气不会返回至进气道9，作为发动机的实质性压缩比的有效压缩比维持与几何压缩比大致一致的值。相对于此，进气门11的关闭时期设定为比进气下死点大幅延迟时，发动机的有效压缩比下降，发生进气的返回。上述有效压缩比改变手段45驱动VVT 15而增减上述进气门11的关闭时期的延迟量（滞后量），以此可变地设定发动机的有效压缩比。在这里，进气门11的关闭时期IVC设定为比进气下死点早时，有效压缩比也会下降，但是在本实施形态中，有效压缩比改变手段45通过提高进气门11的关闭时期的延迟量，降低有效压缩比。
[0084] 该有效压缩比改变手段45驱动VVT 15，改变有效压缩比，使在上述特定运行区域R中用前述早燃裕度计算手段49计算的裕度CR_mrg为预先设定的最小裕度CR_mrg0以上。具体是，在特定运行区域R中，前述裕度CR_mrg未到最小裕度CR_mrg0时，有效压缩比改变手段45延迟进气门11的关闭时期IVC，直到该裕度CR_mrg达到最小裕度CR_mrg0以上为止。详细地说，在通常运行时，进气门11的关闭时期IVC由根据发动机转速Ne和负荷Ce预先设定的进气门基本关闭时期IVC0所控制，有效压缩比改变手段45从该进气门基本关闭时期IVC0开始延迟进气门11的关闭时期IVC。并且，在所述存储手段41中存储有对应于该发动机转速Ne和负荷Ce的进气门基本关闭时期IVC0的图。
[0085] 这样，在本发明的发动机中控制有效压缩比CR，使有效压缩比CR比极限有效压缩比CR_max小裕度CR_mrg的量，从而确实避免早燃。
[0086] 如上所述，使有效压缩比CR具有余裕的原因是即使在极限有效压缩比CR_max的推定中产生误差，也能确实避免因有效压缩比CR超过极限有效压缩比CR_max而发生早燃。具体是，如上所述，极限有效压缩比CR_max是随着发动机转速Ne、辛烷值、几何压缩比、进气温度、发动机冷却水温度、外气压而变化的，但是除此之外也随着存在每个周期变化的可能性的燃料的微粒化状态及汽缸内的流动状况而稍微变化，从而在极限有效压缩比CR_max的推定中可能产生误差。并且，伴随着振动传感器33、进气温度传感器36、发动机水温传感器31、外气压传感器37、发动机转速传感器30的检测误差，有可能在极限有效压缩比CR_max的推定中产生误差。于是，在产生了该推定误差的情况下，以确实避免发生早燃为目的，也将当前有效压缩比CR比极限有效压缩比CR_max降低最小裕度的量。
[0087] 在本实施形态中，由于前述目的，前述最小裕度CR_mrg0设定为与极限有效压缩比CR_max的推定误差量的最大值大致相同的值。在这里，该推定误差是因与运行条件几乎无关的传感器的检测误差等而产生的。因此，推定误差的最大值是一定的，与运行条件无关，在本实施形态中，前述最小裕度CR_mrg0设定为无关于运行条件（操作条件及环境条件）的一定值，该最小裕度例如是0.5～1.0之间的值，设定为0.7等。并且，在该检测误差随着由发动机转速Ne和负荷Ce构成的操作条件而变化或者随着所述燃料的微粒化状况等操作条件而变化等情况下，也可以根据操作条件改变最小裕度CR_mrg0。
[0088] 又，当检测出早燃时，有效压缩比改变手段45为了抑制早燃，延迟进气门11的关闭时期，从而降低有效压缩比。
[0089] 又，上述说明的“进气门11的关闭时期”是将除了升程曲线的倾斜部（升程量缓慢上升的缓冲区间）以外的区间定义为气门的开阀期间的情况下的关闭时期，并不是指进气门11的升程量完全为零时的时期。
[0090] （3）避免早燃的控制动作下面说明通过如上所述构成的ECU 40进行的控制动作。如前面所述，在本实施形态中，为了确实避免发生早燃，在上述特定运行区域R中实施向当前有效压缩比CR给予相对于极限有效压缩比CR_max的余裕的早燃裕度维持控制，同时在上述特定运行区域R中检测到早燃时，实施早燃发生之后阻止其继续发生的早燃停止控制。在这里，以该早燃裕度维持控制和早燃停止控制构成的早燃避免控制为中心进行说明。
[0091] 图6及图7是用于说明上述控制动作的流程图。当开始进行图6的流程图所示的处理时，首先实施读取各种传感器值的控制（步骤S1）。具体是，从上述发动机转速传感器30、发动机水温传感器31、空气流量传感器32、振动传感器33、离子电流传感器34、加速器开度传感器35、进气温度传感器36及外气压传感器37中分别读取发动机转速Ne、冷却水温度Tw、吸入空气量Qa、振动强度Va、离子电流值Io、加速器开度Ac、进气温度Ti、外气压Pa，并输入至ECU 40。
[0092] 接着，根据上述步骤S1中读取的冷却水温度Tw是否为规定阈值（例如80℃）以上，来判定发动机是否处于温态（步骤S2）。
[0093] 在上述步骤S2中判定为“是”，确定为温态的情况下，进一步判定当前的发动机的运行点（在由发动机的转速Ne及负荷Ce特别规定的区域判定图上的点）是否位于图4所示的特定运行区域R内（步骤S3）。具体是，判定上述步骤S1中读取的发动机转速Ne和由吸入空气量Qa（或者是加速器开度Ac）演算的发动机负荷Ce是否一起包含于图4的特定运行区域R的范围。
[0094] 上述步骤S3中判定为“否”，确定为不包含于特定运行区域R的情况下，由于不会发生早燃，因此不需要后述的步骤S7、S27的控制（早燃停止控制及恢复控制），而维持通常的运行（步骤S6）。即，燃料的喷射量及喷射时期、进气门11的动作正时等按照根据运行状态预先规定的通常的目标值来控制。
[0095] 在上述步骤S3中判定为“是”，确定为处于特定运行区域R的情况下，实施将应从喷射器18喷射的燃料的一部分在压缩行程中喷射的控制（步骤S4）。即，如图8所示，在特定运行区域R以外的大部分区域中，在进气行程中喷射全部燃料（参照图8（a）的F），在上述特定运行区域R中，将应喷射的燃料的一部分的喷射时期延迟至压缩行程的中期以后，从而分成在进气行程和压缩行程喷射燃料（参照图8（b）的F1，F2）。
[0096] 如上所述的一部分燃料的压缩行程喷射（分次喷射）的原因是为了预先防止早燃的发生而进行的。如上所述，由于汽缸内容易变成高温·高压化，而且燃料暴露在这样的环境下的实际时间（受热期间）变长，因此设定在低旋转且高负荷区域的上述特定运行区域R是最为容易引起早燃的区域。于是，在上述特定运行区域R中，实施将应喷射的燃料的一部分在压缩行程的中期以后喷射的控制，并且利用该燃料的汽化潜热降低压缩端温度（压缩上死点附近的汽缸内温度），同时缩短燃料的受热期间，从而预先降低发生早燃的可能性。
[0097] 又，与上述燃料的分次喷射一起，在特定运行区域R中实施将利用火花塞16进行火花点火的正时（点火时期）延迟至压缩上死点以后的控制（步骤S4）。这样，通过将点火时期延迟设定，在压缩上死点的进一步滞后侧（即汽缸内温度·压力进一步降低的状态）开始燃烧，因此在之后的燃烧过程中难以发生未燃烧混合气（尾气）的自燃，从而抑制爆震。
[0098] 实施上述步骤S4（燃料的分次喷射及点火延迟）后，根据在上述步骤S1中读取的离子电流值Io判定是否发生早燃（步骤S5）。具体是，从上述离子电流值Io特别规定火焰的生成正时，当该正时比预先存储的正常燃烧开始时期提前规定时间以上时（例如提前至图5的时间点t1左右的情况），判定为发生早燃。
[0099] 在上述步骤S5中判定为“否”，没有检测到早燃的发生的情况下，推定极限有效压缩比CR_max（步骤S21，极限有效压缩比推定工序）。具体是，从前述极限有效压缩比图中提取对应于发动机转速Ne及负荷Ce的基准极限有效压缩比，同时从各修正图中提取分别对应于冷却水温度Tw、进气温度Ti及外气压Pa的修正量，根据该修正量修正基准极限有效压缩比，以此推定极限有效压缩比CR_max。
[0100] 接着，根据上述步骤S1中读取的进气门11的实闭时期IVC_r计算有效压缩比CR（步骤S22，有效压缩比计算工序）。具体是，从前述有效压缩比的图中提取对应于发动机转速Ne等的值。
[0101] 当推定出极限有效压缩比CR_max并计算出有效压缩比CR时，计算作为它们的差的裕度CR_mrg（步骤S23，裕度计算工序）。并且，判定该裕度CR_mrg是否未到最小裕度CR_mrg0（步骤S24）。
[0102] 在上述步骤S24中判定为“否”时，即判定为前述裕度CR_mrg为最小裕度CR_mrg0以上的情况下，如后面所述，判定是否需要早燃停止控制后的恢复控制（步骤S26），当需要恢复控制时实施恢复控制（步骤S27）。另一方面，当不需要恢复控制时维持通常的运行（步骤S6）。
[0103] 另一方面，在步骤S24中判定为“是”时，即判定为所述裕度CR_mrg未到最小裕度CR_mrg0的情况下，实施使进气门11的关闭时期IVC比前述进气门基本关闭时期IVC0延迟从而降低有效压缩比的控制（有效压缩比降低控制）（步骤S25，有效压缩比降低工序）。在本实施形态中，在前述存储手段41中用图存储有对应于裕度CR_mrg和最小裕度CR_mrg0之差的进气门11的关闭时期IVC变化量，并从图中提取对应于所述差的变化量，进气门11的关闭时期IVC延迟该变化量的量。
[0104] 通过实施以上步骤S21～S25的控制（早燃裕度维持控制），即使运行条件发生变化，发动机主体1的有效压缩比也能确实抑制在比极限有效压缩比小规定的最小裕度CR_mrg0的量的值以下。
[0105] 另一方面，在上述步骤S5中判定为“是”，确认到发生早燃的情况下，作为停止该状况的控制措施实施早燃停止控制（步骤S7）。
[0106] 接着，参照图7说明上述步骤S7的早燃停止控制的具体内容。当该早燃停止控制开始进行时，首先，实施判定当前设定的进气门11的关闭时期（IVC）是否比后述的步骤S11中最大限度地延迟的时候的关闭时期（最迟时期）Tx早的控制（步骤S10）。并且，这里的作为判定阈值的最迟时期Tx设定于发生进气的返回而发动机的有效压缩比相对于几何压缩比充分下降的时期（例如进气下死点的通过后曲轴角110°左右）。假如，进气门11的关闭时期比最迟时期Tx进一步延迟时，由于发动机的有效压缩比极端地下降，输出幅度不足，因此上述最迟时期Tx设定为能最大限度延迟的量。
[0107] 在上述特定运行区域R中，最初，进气门11的关闭时期作为不发生进气返回的时期设定于例如进气下死点的通过后（ABDC）曲轴角30°前后。因此，上述步骤S10中的最初的判定结果理所当然地为“是”，并转到下一个步骤S11，开始进行延迟进气门11的关闭时期的控制。具体是，通过向进气门11的动作正时延迟的方向驱动VVT 15，以此使进气门11的关闭时期比当前的设定值延迟规定量，从而使发动机的有效压缩比下降（早燃停止用有效压缩比降低工序）。这样，主要降低压缩端压力（压缩上死点附近的汽缸内压力），从而抑制早燃。
[0108] 在这里，在延迟进气门11的关闭时期降低有效压缩比的如上所述的控制中伴随着一定程度的响应延迟。即，为了降低有效压缩比，需要通过利用VVT 15（可变气门正时机构）的机械动作逐步地改变进气门11的动作正时，并将进气门11的关闭时期延迟至对应于上述有效压缩比的降低量的规定的目标时期为止。因此，将进气门11的关闭时期延迟至目标时期并将有效压缩比降低期望的量需要一定程度的时间。
[0109] 于是，为了确保在上述有效压缩比的降低控制（进气门11的关闭时期的延迟）结束之前的期间的早燃的抑制效果，在后续的步骤S12中实施使汽缸内的空燃比暂时变浓的控制（过渡控制工序）。具体是，通过增加来自喷射器18的燃料的喷射量，将汽缸内的混合气的空燃比设定为比当前的空燃比浓且比理论空燃比浓的值。空燃比比理论空燃比浓时，汽缸内温度因燃料的汽化潜热而下降，因此燃料的受热量减少，从而抑制早燃的发生。并且，为了使空燃比变浓，仅需延长喷射器18的开阀期间（燃料的喷射时间），因此尤其在没有响应延迟的基础上可以瞬间应对。
[0110] 在上述特定运行区域R中，在没有发生早燃的通常时候，汽缸内的空燃比设定为理论空燃比（14.7）左右。因此，通过上述步骤S12中的空燃比的变浓，汽缸内的空气过剩率λ，即形成于燃烧室6的混合气的空燃比（实际空燃比）除以理论空燃比的值从1至降低至不到1的规定值（λ＜1）。例如，通过上述步骤S12的控制，空气过剩率λ下降至0.75左右（空燃比大约为11）。
[0111] 通过上述步骤使空燃比变浓后，判定进气门11的关闭时期的延迟是否完成，即判定通过上述VVT 15的动作延迟的进气门11的关闭时期是否达到目标时期（步骤S13）。并且，在这里的判定可以是实际检测VVT 15的动作角度并根据该角度进行判定，也可以是用定时器等对是否经过了通过预先实验等求出的所需时间进行判定。
[0112] 在上述步骤S13之后，在那里等待判定为“是”（IVC的延迟完成），然后实施解除空燃比变浓的控制（步骤S14）。即，通过降低来自喷射器18的燃料喷射量，汽缸内的空燃比返回到理论空燃比左右。由此，空气过剩率λ从上述变浓后的值（例如0.75左右）增加至λ=1。
[0113] 又，在如本实施形态的直喷式多汽缸汽油发动机中，通过对各汽缸分别控制来自喷射器18的燃料喷射量，可以对每个汽缸2个别地设定各汽缸2的空燃比。因此，也可以对每个汽缸2独立地实施上述空燃比的变浓及其解除（步骤S12，S14），并且也可以以全部汽缸2为对象实施上述空燃比的变浓及其解除（步骤S12，S14）。并且，在前者的情况下意味着某个汽缸检测到早燃时，仅对该汽缸的空燃比实施变浓，而后者的情况下意味着一个汽缸检测到早燃时，对其他的汽缸也同样实施空燃比的变浓（即，对其他汽缸与有无早燃无关地实施空燃比的变浓）。
[0114] 例如，假设将进气门11的关闭时期延迟至目标时期需要的所需时间比一个燃烧周期长且比两个燃烧周期短。在这样的情况下，当对每个汽缸2独立地实施空燃比的变浓时，以某个汽缸中的早燃的发生为开端，在发生该早燃的汽缸（以下称为早燃发生汽缸）中的下一次燃烧时对该汽缸的空燃比实施变浓，并在上述早燃发生汽缸中的下下次的燃烧时解除该变浓。另一方面，当以全部汽缸2为对象实施空燃比的变浓时，以某个汽缸中的早燃的发生为开端，从燃烧顺序比该早燃发生汽缸晚的汽缸开始依次实施空燃比的变浓。因此，至少在早燃发生汽缸的下一次的燃烧之前继续实施各汽缸的变浓，并且在早燃发生汽缸的下下次的燃烧之前解除上述变浓。此时，由于汽缸的变浓的顺序越靠后，有效压缩比越低，因此也可以随着顺序的推进减小变浓的幅度。
[0115] 在结束上述步骤S14的控制（变浓的解除）后，在用于记录早燃停止控制的实施/非实施的标记F（其缺省值为0）中输入表示该控制处于实施中的“1”（步骤S15），并返回到图6的主流程。
[0116] 如以上说明的步骤S10～S15的控制（早燃停止控制）直到避免早燃为止（即图6的步骤S5中判定为“否”为止）重复实施。因此，通过这样的重复控制，逐步地延迟进气门11的关闭时期，从而与此同时也逐步地降低有效压缩比。
[0117] 例如，假设进气门11的关闭时期的每一次的延迟幅度通常设定为曲轴角2°，此时通过实施上述早燃停止控制，进气门11的关闭时期对于当前的设定值首先仅延迟曲轴角2°，若这样也无法避免早燃时，进一步地仅延迟曲轴角2°。于是，这样的曲轴角2°刻度的延迟在进气门11的关闭时期未达到上述最迟时期Tx的范围内继续进行（参照后述的图9的时序图）。相反，当达到最迟时期Tx之前避免了早燃时，在该时间点上停止延迟。
[0118] 即，在发生早燃时，进气门11的关闭时期至少延迟一次，此时没有避免早燃时，通过重复延迟逐步地增加从初期状态开始的延迟幅度。并且，在延迟进气门11的关闭时期时，在其每一次上一并实施空燃比变浓的控制，从而每一次补偿上述延迟控制的响应延迟。并且，在上述进气门11的关闭时期达到最迟时期Tx之前避免早燃时，在该时间点上停止如上所述的进气门11的关闭时期的延迟及空燃比的变浓。
[0119] 在上述步骤S11中进气门11的关闭时期延迟至最迟时期Tx后，早燃仍然继续发生时，在上述步骤S10中判定为“否”，从而在下一步骤S16中发出规定的警告以向驾驶者等告知发动机处于异常情况。即，即使将进气门11的关闭时期延迟至最迟时期Tx（即，即使最大限度降低发动机的有效压缩比），早燃继续发生的状态中考虑因例如发动机冷却系统的故障等原因发动机处于异常高温的状态的情况，因此也难以在其以上继续运行。于是，为了向驾驶者等告知这样的状态的出现，从而发出规定的警告。并且，也可以在发出警告的同时实施大幅降低发动机输出的控制。
[0120] 图9是示出在实施上述早燃停止控制时，假设如果不多次实施有效压缩比的降低控制则无法避免早燃的情况下，空气过剩率（λ）、进气门11的关闭时期（IVC）及节气门22的开度（节气门开度）分别随着时间变化的时序图。从该图中可以理解，发生早燃时，进气门11的关闭时期（IVC）逐步地（例如每曲轴角2°）延迟，以此发动机的有效压缩比每次下降规定量。并且，与每次的IVC的延迟（有效压缩比的降低）一起实施暂时将空燃比变浓的控制。即，空气过剩率λ仅在IVC达到目标时期之前的过渡期（IVC向右上倾斜的区间）内从
1下降至不到1的规定值。这样，空燃比重复变浓（λ＜1）或者变成理论空燃比左右（λ=1）的状态。并且，通过在将导入汽缸内的空气的量（吸入空气量Qa）保持不变的基础上，提高来自喷射器18的燃料的喷射量，以此进行上述空燃比的变浓。因此，节气门开度不会因空燃比的变浓而变化，而维持例如图示的一定的开度。
1下降至不到1的规定值。这样，空燃比重复变浓（λ＜1）或者变成理论空燃比左右（λ=1）的状态。并且，通过在将导入汽缸内的空气的量（吸入空气量Qa）保持不变的基础上，提高来自喷射器18的燃料的喷射量，以此进行上述空燃比的变浓。因此，节气门开度不会因空燃比的变浓而变化，而维持例如图示的一定的开度。
[0121] 最后，说明在实施上述早燃停止控制（图7，图9）的结果避免早燃的情况下的控制动作。即使是实施早燃停止控制后避免早燃的情况下，首先也实施上述步骤S21～S24。于是，在步骤S24中判定为“否”时，即，仅在上述裕度CR_mrg为最小裕度CR_mrg0以上的情况下可以实施前述恢复控制。在该步骤S24中判定为“否”时，接着判定是否为早燃停止控制的实施之后。即，当已实施早燃停止控制时标记F变成F=1，因此在步骤S26中判定该标记F是否为“1”。于是，该标记F为“1”时，判定为早燃停止控制的实施之后，并实施恢复控制（步骤S27）。
[0122] 在上述恢复控制中，与图9所示的早燃停止控制时相反地将进气门11的关闭时期（IVC）逐步地提前（提前角），以此实施每次以规定量提高有效压缩比的控制。于是，IVC每次提前时，确认有无发生早燃及早燃裕度是否为最小裕度以上，如果没有发生早燃且早燃裕度为最小裕度以上，则进一步提前IVC。并且，在进气门11的关闭时期达到进气门基本关闭时期IVC0等的通常时期（几乎不发生进气的返回的时期）为止继续逐步提前IVC。在进气门11的关闭时期IVC达到通常时期的情况下，或者在步骤S25中实施有效压缩比降低控制时上述标记F复位至“0”。并且，这样的恢复控制时的空燃比维持在理论空燃比或者其附近值。
[0123] （4）作用效果等如以上所说明，在本实施形态的火花点火式发动机中，由于根据发动机的转速Ne及负荷Ce、燃料的辛烷值、进气温度、冷却水温度、外气压推定当前的极限有效压缩比CR_max，因此可以提高推定精度。并且，控制当前有效压缩比CR使其相对于该极限有效压缩比CR_max一直具有最小裕度CR_mrg0以上的余裕。因此，即使在极限有效压缩比CR_max的推定中产生误差的情况下，也可以确实避免早燃。尤其是，由于最小裕度CR_mrg0无关于环境条件而维持一定值，因此即使环境条件发生变化也能确保规定的裕度，确实避免早燃。
[0124] 图10示出在进行确保该有效压缩比CR相对于极限有效压缩比CR_max的裕度的控制（早燃裕度维持控制）时的控制结果。该图10的上侧图示出在规定的发动机转速Ne及负荷Ce下，随着环境条件而变化的极限有效压缩比CR_max及有效压缩比CR的变化情况。在该上侧图中CR_base为进气门11的关闭时期IVC在前述进气门基本关闭时期IVC0时的基本有效压缩比。该图10的下侧图示出随着环境条件而变化的进气门11的关闭时期IVC的变化情况。在该图中，横轴示意性地表示环境条件的变化。在该横轴中越靠近右侧的位置是越容易发生早燃的环境条件。在该图中示出的示例中，作为环境条件变化的有燃料的辛烷值、几何压缩比、进气温度、冷却水温度、外气压。早燃随着辛烷值的变小、进气温度的升高、冷却水温度的升高、外气压的升高而变得容易发生。
[0125] 如图10所示，在比环境条件A位于左侧、比环境条件A难以发生早燃的条件（区域X）中，极限有效压缩比CR_max显著大于前述基本有效压缩比CR_base，相对于极限有效压缩比CR_max的基本有效压缩比CR_base的裕度CR_mrg为最小裕度CR_mrg0以上。因此，在该区域X中，为了抑制裕度CR_mrg使其不到最小裕度CR_mrg0，不实施延迟进气门11的关闭时期IVC的控制，而是进气门11的关闭时期IVC成为进气门基本关闭时期IVC0。
[0126] 另一方面，在比环境条件A位于右侧、容易发生早燃的条件（区域Y）下，极限有效压缩比CR_max变小，相对于极限有效压缩比CR_max的基本有效压缩比CR_base的裕度CR_mrg不到最小裕度CR_mrg0。因此，在该区域Y中，为了使裕度CR_mrg为最小裕度CR_ mrg0以上，而实施延迟进气门11的关闭时期IVC的控制。这样，进气门11的关闭时期IVC比进气门基本关闭时期IVC0延迟。于是，通过该控制，有效压缩比CR相对于极限有效压缩比CR_max的裕度CR_mrg为最小裕度CR_ mrg0以上（图例中，与最小裕度CR_mrg0几乎一致）。
[0127] 又，在该实施形态的火花点火式发动机中，根据离子电流传感器34（检测手段）的检测值检测到早燃的情况下，至少一次实施延迟进气门11的关闭时期而将有效压缩比降低规定量的控制，同时在完成该控制之前的过渡期内实施使汽缸内的空燃比暂时变浓的控制。这样的结构具有与降低有效压缩比的控制的响应延迟无关，可以迅速且有效地抑制早燃的优点。
[0128] 即，在上述实施形态中，作为检测到早燃时的对策降低有效压缩比的同时在完成其控制之前的过渡期内使汽缸内空燃比暂时变浓，借助于此，即使在从开始降低有效压缩比到实际上将有效压缩比降低规定量之前的期间需要因响应延迟导致的时间，由于在该响应延迟的期间内通过空燃比的变浓而发挥冷却效果（所需以上的燃料的汽化潜热降低汽缸内温度的效果），因此可与如上所述的控制的响应延迟无关地迅速抑制早燃。于是，实际上有效压缩比降低规定量，与此同时压缩端压力（压缩上死点附近的压力）下降时，通过在该状态下解除空燃比的变浓，确保早燃的抑制效果的同时避免空然比的变浓经过所需以上的时间，可以最低限度抑制油耗及排放性的恶化。
[0129] 更具体是，在上述实施形态中，在完成降低有效压缩比的控制之前的过渡期内使空气过剩率λ从1变化至不到1的规定值（例如0.75左右），并且完成有效压缩比的降低时使空气过剩率λ恢复到1。根据这样的结构，在有效压缩比下降之前的过渡期内，在变浓至λ﹤1的环境下可适当地降低汽缸内温度，同时完成有效压缩比的降低后立即恢复至λ=1，以此尽可能在短时间内完成浓状态下的燃烧。
[0130] 又，如图9等所示，在上述实施形态中，将有效压缩比降低规定量后，进而检测到早燃的情况下，实施进一步降低有效压缩比的控制（将进气门11的关闭时期进一步延迟的控制）的同时在完成该控制之前的过渡期内实施再次将汽缸内的空燃比暂时变浓的控制。根据这样的结构，即使仅仅将有效压缩比降低一次不能避免早燃，也可通过之后的将有效压缩比的降低量逐步地增加的措施确实避免早燃。并且，通过如上所述确认有无早燃的同时逐步地降低有效压缩比，有效压缩比的降低量设定为能够避免早燃的适当的量，因此无关于早燃的程度，不会出现发动机输出骤减的现象，可以最低限度抑制驾驶性能的恶化。而且，由于每次降低有效压缩比时空燃比暂时变浓，因此可以每次确实补偿降低有效压缩比的控制的响应延迟。
[0131] 又，在上述实施形态中，作为降低发动机的有效压缩比的机构（可变机构）应用可变地设定进气门11的动作正时的VVT 15（可变气门正时机构）。于是，降低有效压缩比时，直到对应于其降低量的规定的目标时期为止改变进气门11的关闭时期，并在达到目标时期之前的过渡期内实施上述空燃比的变浓。通过这样的结构，与例如改变活塞5的行程量来降低发动机几何压缩比本身的情况不同，可以以更简单的结构降低有效压缩比。并且，在进气门11的关闭时期达到目标时期之前的响应延迟的期间使空燃比变浓，以此在有效压缩比实际降低之前的期间内适当地延续空燃比的变浓，从而可以抑制早燃。
[0132] 又，在上述实施形态中，在设定在发动机温态下的低旋转且高负荷区域的特定运行区域R中，用上述离子电流传感器34检测早燃，并在检测到早燃时实施上述有效压缩比的降低及空燃比的变浓。根据这样的机构，在汽缸内容易变成高温·高压化、且燃料暴露于这样的环境下的实际时间（受热期间）变长的运行条件下，即最容易发生早燃的运行条件下，可以适当地监视有无早燃并抑制早燃。
[0133] 又，在上述实施形态中，在上述特定运行区域R中运行时，实施将应从喷射器18喷射的燃料的一部分在压缩行程（尤其是中期以后）中喷射的控制（分次喷射）。根据这样的结构，通过压缩行程的中期以后喷射的燃料的汽化潜热有效地冷却汽缸内部，在最容易发生早燃的运行条件下可以预先抑制早燃。
[0134] 又，在上述实施形态中，在上述特定运行区域R中运行时，将火花塞16的火花点火的正时设定在比压缩上死点延迟的正时，因此不仅是早燃也可以有效地抑制爆震的发生。即，在容易发生早燃的上述特定运行区域R中，也应当容易发生爆震，但是通过如上所述延迟火花点火的正时，在压缩上死点的更滞后侧开始燃烧，这样在之后的燃烧过程中难以发生未燃混合气（尾气）的自燃，从而抑制爆震。
[0135] 又，在上述实施形态中，在低旋转且高负荷的特定运行区域R中时，将应从喷射器18喷射的燃料的一部分在压缩行程的中期以后喷射，但是即使在例如特定运行区域R中尤其是容易发生早燃的区域，也可以将全部的燃料在压缩行程的中期以后喷射。
[0136] 又，在上述实施形态中，在早燃停止控制中进行降低有效压缩比的控制（步骤S25）时，通过将设定在比进气下死点位于滞后侧且不发生进气的返回的时期（例如进气下死点的通过后曲轴角30°前后）的通常的进气门11的关闭时期改变至更滞后侧（即引起进气的返回）降低有效压缩比，但是降低有效压缩比的方法并不现定于此，也可以通过例如将进气门11的关闭时期提前至比进气下死点位于提前侧来降低有效压缩比。但是在这种情况下，需要大幅度改变进气门11的动作正时，增加VVT 15的控制量，从而引起控制的响应性进一步恶化的问题。并且，为了避免这些，可以考虑将通常时候的进气门11的关闭时期设定在与进气下死点大约一致的正时等，但是如果这样做，则不能充分利用进气惯性，导致发动机输出降低。
[0137] 从这一点考虑，如上述实施形态所述，将通常时候（没有发生早燃时）的进气门11的关闭时期设定在比进气下死点位于滞后侧，并在降低有效压缩比时，将进气门11的关闭时期相对于上述通常时期延迟，这样的做法在充分确保通常时候的发动机输出的同时必要时有效率地降低有效压缩比的方面是有利的。
[0138] 又，在上述实施形态中，作为检测早燃的检测手段应用了在火花塞16的电极之间施加偏置电压而检测火焰发生时的离子电流的火花塞内置型离子电流传感器34，但是作为上述检测手段也可以应用与火花塞16分离设置的离子电流传感器。
[0139] 又，在上述实施形态中，根据离子电流传感器34的火焰的检测正时检测早燃，但是也可以将例如用于检测爆震等的振动传感器（爆震传感器）设置于发动机主体1，并根据该检测值检测早燃。
[0140] 当然，简单地用振动传感器仅仅检查振动强度，并不能区别是爆震（火花点火后火焰传播的过程中尾气自燃的现象）还是早燃（比火花点火引起的正常的燃烧开始时期早地使混合气自燃的现象），因此不能正确地检测早燃。因此，为了利用振动传感器检测早燃，例如可以有目的性地改变点火时期，并检查与此相伴的振动传感器的检测值的变化。由此，可以正确区别并检测爆震和早燃。
[0141] 例如，点火时期设定在比压缩上死点位于滞后侧的上述特定运行区域R中假如发生了爆震。此时振动传感器检测到大的振动强度，但是，这时相对于上述正时延迟点火时期的情况下，由于通过该措施抑制爆震，因此伴随着点火时期的延迟出现振动强度的降低。相对于此，发生早燃的情况下，由于与点火时期无关地发生自燃，因此即使延迟点火时期也不能抑制早燃，不能降低振动强度。于是，如果利用这样的性质检查伴随着点火时期的延迟而出现的振动强度的变化，则可以利用振动传感器检测早燃。
[0142] 又，在上述实施形态中，作为通过有效压缩比计算手段48计算当前的有效压缩比CR的具体方法，应用利用凸轮角传感器38检测进气门11的实闭时期IVC_r的方法，但是也可以不利用检测值而是利用进气门11的关闭时期IVC的指令值（上述进气门基本关闭时期IVC0或者在步骤S25等中修正该时期IVC0的值）。
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