JP2002130006A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

内燃機関の燃焼制御装置

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JP2002130006A JP2000318853A JP2000318853A JP2002130006A JP 2002130006 A JP2002130006 A JP 2002130006A JP 2000318853 A JP2000318853 A JP 2000318853A JP 2000318853 A JP2000318853 A JP 2000318853A JP 2002130006 A JP2002130006 A JP 2002130006A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを機関の
運転条件に応じて切り替える場合に、燃焼安定度の悪化
やノッキングの発生を抑止する。 【解決手段】 火花点火燃焼を行うべき運転条件である
か、圧縮自己着火燃焼を行うべき運転条件であるかを判
断し(21)、この判断結果が変化したときに、燃焼形
態を切り替える(22)。この燃焼切り替えに際し、燃
焼切り替え制御の方式(切り替え時に変更する燃焼パラ
メータ、その変更手順)を、そのときの運転条件、具体
的には機関の負荷、回転数、燃焼状態(均質燃焼又は成
層燃焼)に応じて設定する(23)。また、切り替え時
に変更する燃焼パラメータを、時定数が大きい第1群
(吸排気弁開閉時期、スロットル開度等)と時定数が小
さい第2群(点火時期、燃料噴射時期等)とに分け、第
1群の変更を開始した後に第2群を変更する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、運転条件によって
火花点火による燃焼(火花点火燃焼)と圧縮自己着火に
よる燃焼(圧縮自己着火燃焼)とを使い分ける内燃機関
の燃焼制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、例えば特開平10−252512
号公報などにより、圧縮自己着火燃焼を行わせるガソリ
ン機関が提案されている。圧縮自己着火燃焼は、空燃比
を大幅にリーン化することが可能で、大幅な燃費向上効
果とNOx低減効果とが得られる。
【0003】すなわち、圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の
多点で燃焼が開始されるため燃焼速度が速く、通常の火
花点火燃焼に比べて、空燃比がリーンな状態でも安定し
た燃焼を実現することができて燃費の向上が可能であ
り、また空燃比がリーンなため燃焼温度が低下すること
から、排気中のNOxを大幅に低減することもできる。
また、燃料と空気を十分に予混合しておけば、空燃比が
より均一となり、更にNOxを低減することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、極低負荷
や、高回転、高負荷の運転条件では、燃焼安定度の悪化
やノッキングの発生を招くことから、圧縮自己着燃焼を
行わせることが困難である。このため、このような運転
条件では通常の火花点火燃焼を行わせる必要を生じる。
【0005】このため、機関運転中に火花点火燃焼から
圧縮自己着火燃焼へ又はその逆へ燃焼形態を切り替える
ことになる。この場合、それぞれの燃焼に適した燃焼パ
ラメータ(吸排気弁の開閉時期、スロットル開度、燃料
噴射時期、点火時期等)は大幅に異なっていることがあ
るので、燃焼を瞬時に切り替えることは不可能であり、
燃焼安定性の悪化やノッキングを伴わずに、2つの燃焼
を切り替える燃焼切り替え制御が必要になる。
【0006】このような燃焼切り替え制御が必要となる
理由について更に詳述する。機関のべ一ス圧縮比を上げ
て圧縮自己着火燃焼が可能となるような混合気の温度、
圧力を得るようにした場合では、火花点火燃焼における
ノッキング発生を回避するために、吸入空気量を低下さ
せるか点火時期の遅角化を行うために比出力の低下が避
けられないことから、機関のべ一ス圧縮比を過度に上げ
ずに圧縮自己着火燃焼を発生させる方法として、圧縮自
己着火燃焼時に、排気上死点付近で吸排気弁が共に閉と
なる密閉期間(マイナスオーバーラップ期間)を設ける
ことで、内部EGRにより吸気加熱を行う方法が考えら
れる。
【0007】内部EGRによる吸気加熱により圧縮自己
着火燃焼を発生させる場合には、最後の火花点火燃焼サ
イクルに次ぐ燃焼サイクルでは、内部EGR量を所定量
増加させて、圧縮自己着火燃焼を確実に発生させなけれ
ばならない。もし次の燃焼サイクルにおいて圧縮自己着
火燃焼が不十分であれば、筒内温度及び圧力が低下し、
さらに圧縮自己着火が困難となる。
【0008】一方、吸排気弁の開閉時期を可変とする従
来技術としては、カムシャフトにプロフィールの異なる
複数のカムを備え、それぞれのカムに対向するロッカー
アームの係合レバーの状態を油圧駆動ピストンで切り替
える機械式の可変バルブタイミング機構が知られている
が(例えば特開平9−203307号公報参照)、これ
によれば、油圧制御弁の操作から異なるロッカアームヘ
の切り替えが完了するまでに、燃焼サイクルで数サイク
ル要していた。
【0009】従って、通常の可変バルブタイミング機構
の応答性では、圧縮自己着火燃焼で要求される内部EG
R量の増加には数サイクルを要してしまうため、圧縮自
己着火燃焼が不安定となる。また、逆に圧縮自己着火燃
焼から火花点火燃焼への切り替えに際しては、内部EG
R量が多く、筒内温度が高いために、火花点火燃焼時に
ノッキングが発生するという問題点があった。
【0010】また、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼と
の切り替えは、複数の運転条件で行われ、条件によって
吸入負圧あるいは過給圧を変更する必要がある。この場
合に、圧力の変更にも応答遅れがあるため、その設定に
は数サイクル要することになる。従って、火花点火燃焼
から圧縮自己着火燃焼への切り替えに際しては、筒内圧
力が低いため、圧縮自己着火燃焼が不安定となる。ま
た、逆に圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼への切り替
えに際しては、筒内圧力が高いために、火花点火燃焼時
にノッキングが発生するという問題点があった。
【0011】また、前述したように火花点火燃焼と圧縮
自己着火燃焼との切り替えは、複数の運転条件で行われ
るため、各切り替え条件に適した制御を行わないと、燃
焼安定度の悪化やノッキングの発生を招くという問題点
があった。以上より、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼
との最適な燃焼切り替え制御が必要となるのであるが、
この点、前記特開平10−252512号公報などに
は、このような燃焼切り替え制御に関する開示がない。
すなわち、全ての運転領域にて圧縮自己着火燃焼を行わ
せること前提にしており、火花点火燃焼と圧縮自己着火
燃焼との切り替えについては言及されていない。
【0012】本発明は、かかる実状に鑑みてなされたも
ので、その目的は、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼と
の切り替え時に、燃焼安定度の悪化やノッキングの発生
を抑止しつつ、安定した切り替えができる内燃機関の燃
焼制御装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】このため、請求項1の発
明では、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを機関の運
転条件に応じて切り替えることが可能な内燃機関の燃焼
制御装置において、現在の運転条件が、火花点火燃焼を
行うべき運転条件であるか、圧縮自己着火燃焼を行うべ
き運転条件であるかを判断する判断手段と、前記判断手
段の判断結果が変化したときに、一方の燃焼から他方の
燃焼へ燃焼形態を切り替える燃焼切り替え手段と、前記
燃焼切り替え手段が実行する燃焼切り替え制御の方式
を、前記判断手段の判断結果が変化した前後の運転条件
に応じて設定する切り替え制御方式設定手段と、を備え
ることを特徴とする。
【0014】請求項2の発明では、前記燃焼切り替え制
御は、設定される方式により、切り替え時に変更する燃
焼パラメータが異なることを特徴とする。請求項3の発
明では、前記燃焼切り替え制御は、設定される方式によ
り、切り替え時に変更する燃焼パラメータの変更手順が
異なることを特徴とする。請求項4の発明では、前記燃
焼切り替え制御の方式を設定する運転条件は、少なくと
も機関の負荷とすることを特徴とする。
【0015】請求項5の発明では、前記燃焼切り替え制
御の方式を設定する運転条件は、少なくとも機関の回転
数とすることを特徴とする。請求項6の発明では、前記
燃焼切り替え制御の方式を設定する運転条件は、少なく
とも成層燃焼又は均質燃焼のうちいずれの燃焼状態であ
るかとすることを特徴とする。
【0016】請求項7の発明では、前記燃焼切り替え制
御は、切り替え時に変更する燃焼パラメータを、時定数
に基づいて、第1群と第2群とに分け、第1群の燃焼パ
ラメータの変更を開始した後に、第2群の燃焼パラメー
タを変更することを特徴とする。請求項8の発明では、
請求項7の発明において、前記第1群の燃焼パラメータ
は、吸排気弁の開閉時期、スロットル開度、過給圧及び
EGR弁開度のうち少なくとも1つとし、第2群の燃焼
パラメータは、点火時期、燃料噴射回数、燃料噴射時期
及び燃料噴射量のうち少なくとも1つとすることを特徴
とする。
【0017】請求項9の発明では、請求項8の発明にお
いて、前記燃焼切り替え制御は、火花点火燃焼から圧縮
自己着火燃焼に切り替える際に、第1群の燃焼パラメー
タの変更を開始した後に、第2群の燃焼パラメータであ
る点火時期を遅角することを特徴とする。請求項10の
発明では、前記燃焼切り替え制御は、火花点火燃焼から
圧縮自己着火燃焼に切り替える際に、圧縮自己着火燃焼
の開始後に火花点火を停止することを特徴とする。
【0018】請求項11の発明では、圧縮自己着火燃焼
から火花点火燃焼への切り替え制御は、火花点火燃焼か
ら圧縮自己着火燃焼への切り替え制御と逆の手順とする
ことを特徴とする。
【0019】
【発明の効果】請求項1の発明によれば、機関の運転条
件に応じた火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼との切り替
えに際し、その前後の運転条件に応じて燃焼切り替え制
御の方式を設定できるため、燃焼切り替えが発生する各
条件において、最適な燃焼切り替え制御を行うことがで
き、切り替え時の燃焼安定度の悪化やノッキングの発生
を抑制して、運転性を向上することができる。
【0020】請求項2の発明によれば、燃焼切り替えが
発生する各条件において、切り替え時に変更する燃焼パ
ラメータを異ならせて、燃焼切り替え制御の方式を設定
するため、各条件においてより最適な燃焼切り替え制御
を行うことができる。請求項3の発明によれば、燃焼切
り替えが発生する各条件において、切り替え時に変更す
る燃焼パラメータの変更手順を異ならせて、燃焼切り替
え制御の方式を設定するため、各条件においてより最適
な燃焼切り替え制御を行うことができる。
【0021】請求項4の発明によれば、燃焼切り替えの
際の機関の負荷に応じて、燃焼切り替え制御の方式を設
定するため、各負荷条件において最適な燃焼切り替え制
御を行うことができる。請求項5の発明によれば、燃焼
切り替えの際の機関の回転数に応じて、燃焼切り替え制
御の方式を設定するため、各回転条件において最適な燃
焼切り替え制御を行うことができる。
【0022】請求項6の発明によれば、燃焼切り替えの
際、成層燃焼又は均質燃焼のうちいずれの燃焼状態であ
るかに応じて、燃焼切り替え制御の方式を設定するた
め、成層燃焼又は均質燃焼のいずれにおいても最適な燃
焼切り替え制御を行うことができる。請求項7の発明に
よれば、燃焼切り替えの際に変更する燃焼パラメータ
を、時定数に基づいて、第1群と第2群とに分け、第1
群の燃焼パラメータの変更を開始した後に、第2群の燃
焼パラメータを変更することで、時定数が異なる複数の
燃焼パラメータを変更する場合に、時定数に応じた変更
を実施できるため、応答遅れを考慮した最適な燃焼切り
替え制御を行うことができる。
【0023】請求項8の発明によれば、請求項7の発明
をより具体化し、前記第1群の燃焼パラメータを、時定
数が大きい吸排気弁の開閉時期、スロットル開度、過給
圧及びEGR弁開度などとし、第2群の燃焼パラメータ
を、時定数が小さい点火時期、燃料噴射回数、燃料噴射
時期及び燃料噴射量などとすることで、各燃焼パラメー
タの時定数に応じた最適な燃焼切り替え制御を行うこと
ができる。
【0024】請求項9の発明によれば、請求項8の発明
をより具体化し、火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼に
切り替える際に、時定数が大きい前記第1群の燃焼パラ
メータの変更を開始した後に、第2群の燃焼パラメータ
である点火時期を遅角することで、点火時期の変更が時
定数が小さいことを考慮した最適な燃焼切り替え制御に
より、切り替え時の燃焼安定度の悪化やノッキングの発
生を確実に抑制することができる。
【0025】請求項10の発明によれば、火花点火燃焼
から圧縮自己着火燃焼に切り替える際に、圧縮自己着火
燃焼の開始後に火花点火を停止することで、圧縮自己着
火燃焼時に火花点火燃焼が起こることを防止でき、ノッ
キングの発生による運転性の悪化をより確実に防止でき
る。請求項11の発明によれば、圧縮自己着火燃焼から
火花点火による燃焼への切り替え制御は、火花点火燃焼
から圧縮自己着火燃焼への切り替え制御と逆の手順とす
ることで、いずれの切り替えの場合にも、切り替え時の
燃焼安定度の悪化やノッキングの発生を抑制して、運転
性を向上することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図1は本発明に係る圧縮自己着火
式ガソリン機関(以下エンジンという)の第1実施形態
の構成を示すシステム図である。エンジン本体1内にて
ピストン2の上方に画成される燃焼室3には、吸気通路
4より、電制スロットル弁5の制御を受けた空気が、吸
気弁6の開時に吸入される。
【0027】燃焼室3には、これに臨ませて、直噴式の
燃料噴射弁7と、火花点火燃焼用の点火プラグ8とが設
けられている。但し、運転条件に応じて、点火プラグ8
を用いた火花点火燃焼と、圧縮自己着火燃焼とを切り替
え可能となっている。燃焼後の排気は、排気弁9の開時
に、排気通路10より排出される。ここで、吸気弁6及
び排気弁9の開閉時期は、可変バルブタイミング機構1
1,12により任意の時期に制御可能である。
【0028】また、排気通路10より排気の一部を吸気
通路4のスロットル弁5下流に還流するEGR通路13
が設けられ、このEGR通路13にはEGR量(EGR
率)を調整可能なEGR弁14が介装されている。エン
ジン制御用の電子制御装置(エンジンコントロールユニ
ット;以下ECUという)20は、マイクロコンピュー
タを内蔵しており、これには、クランク角センサ(図示
せず)からのクランク角信号(これによりエンジン回転
数Nを検出可能)、アクセル開度センサ(図示せず)か
らのアクセル開度信号(これにより負荷Tを検出可能)
等が入力されている。
【0029】ECU20は、これらの入力信号に基づい
て、電制スロットル弁5、燃料噴射弁7、点火プラグ
8、可変バルブタイミング機構11,12、EGR弁1
4の作動を制御する。特に、このエンジンでは、運転条
件によって火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを使い分
けるため、ECU20は、現在の運転条件が、火花点火
燃焼を行うべき運転条件であるか、圧縮自己着火燃焼を
行うべき運転条件であるかを判断する運転条件判断手段
21と、前記判断手段21の判断結果が変化したとき
に、一方の燃焼から他方の燃焼へ燃焼形態を切り替える
燃焼切り替え手段22とを備え、更に、前記燃焼切り替
え手段22が実行する燃焼切り替え制御の方式を、前記
判断手段21の判断結果が変化した前後の運転条件に応
じて設定する切り替え制御方式設定手段23を備えてい
る。但し、これらはマイクロコンピュータのプログラム
として実現される。
【0030】従って、ECU20は、クランク角信号か
ら検出されるエンジン回転数N、及びアクセル開度信号
から検出される負荷Tに基づいて、運転条件を判断し、
これに基づいて燃焼形態(火花点火燃焼又は圧縮自己着
火燃焼)を判断する。そして、運転条件及び燃焼形態に
応じて、電制スロットル弁5によるスロットル開度TV
O、燃料噴射弁7の燃料噴射量及び燃料噴射時期、点火
プラグ8による点火時期、可変バルブタイミング機構1
1,12による吸気弁6及び排気弁9の開閉時期などを
制御する。
【0031】ここで、吸気弁6及び排気弁9は、ECU
20により可変バルブタイミング機構11,12を介し
て開閉時期をそれぞれ制御可能な構成とすることで、エ
ンジンの低中負荷域では実質的な圧縮比の変更や内部E
GRの制御により、圧縮上死点付近で自己着火が可能な
高温、高圧状態を実現できる構成としている。次に、本
実施形態の吸排気弁6,9の開閉タイミングを図2に示
す。
【0032】火花点火燃焼時は、通常の4サイクルガソ
リン機関と同様に、排気弁の閉時期(EVC)と吸気弁
の開時期(IVO)とがピストン上死点(TDC)付近
となって所要のバルブオーバラップ(O/L)を有する
ように設定される。特定の運転領域における圧縮自己着
火燃焼時は、火花点火燃焼時に対して、排気弁の閉時期
(EVC)が進角して排気行程途中で閉弁すると共に、
吸気弁の開時期(IVO)が遅角して吸気行程途中で開
弁するように制御されて、ピストン上死点(TDC)付
近におけるバルブオーバラップは全く存在せず、マイナ
スオーバラップ(マイナスO/L)状態に設定される。
【0033】このように、圧縮自己着火燃焼時にマイナ
スオーバラップを成すバルブタイミングとすることによ
り、排気弁が排気行程途中にて閉弁して、その時点での
燃焼室容積に相当する高温の既燃ガスを燃焼室内に滞留
させ、次サイクルヘの内部EGRガスとする。次サイク
ルでは、吸気行程途中で吸気弁が開弁して、新気が吸入
される。ここで新気は内部EGRガスから熱量を受け
て、筒内温度が上昇することになる。
【0034】このような構成の下、本実施形態では、図
3に示すように、低回転かつ低中負荷の特定の運転領域
において圧縮自己着火燃焼を行い、極低負荷、高負荷又
は高回転領域においては火花点火燃焼を行う。次に、本
実施形態の動作について説明する。図4は空燃比に対し
て自己着火燃焼が成立する範囲を示すものである。燃料
噴射は圧縮上死点から十分に進角した時期に行われてお
り、混合気は予混合状態となっている。空燃比をリーン
にしていくと燃焼安定度が悪化し、エンジンのトルク変
動が大きくなる。このため、エンジンとしての設計値又
はこのエンジンを搭載する車両の性格等から、許容でき
る安定度限界値Sthとなる空燃比AFLが、リーン限
界となる。
【0035】一方、空燃比をリッチにしていくと、ノッ
キング強度が増大する。これによりノッキング強度限界
値Nthにおける空燃比AFRがリッチ限界となる。従
って、安定度限界空燃比AFLとノッキング強度限界空
燃比AFRとで囲まれる空燃比領域が、自己着火燃焼成
立範囲となる。このように、自己着火は限られた空燃比
範囲でしか成立しない。
【0036】尚、ここではガスと燃料との割合を表す指
標として空燃比(A/F)を例に説明したが、残留ガス
あるいはEGRガスが含まれる場合についても同様の傾
向を示し、この際には図4の横軸は新気と既燃ガスとを
合わせたトータルのガス量と燃料量との割合(G/F)
となる。図4では空燃比に対する自己着火燃焼成立範囲
を示したが、空燃比以外にも、温度、吸気圧あるいは過
給圧に対しても同様な傾向を示す。すなわち、温度が低
下すると燃焼安定度が悪化し、温度が上昇するとノッキ
ング強度が増大する。また、吸気圧、過給圧について
も、圧力が低下すると燃焼安定度が悪化し、圧力が増加
するとノッキング強度が増大する。従って、安定した自
己着火燃焼を維持するためには、要求される温度、圧力
に制御する必要がある。
【0037】図5は火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼
に(又はその逆に)切り替わるパターンについて示して
いる。これからわかるように、切り替えパターンは、2
種類存在する。すなわち、低負荷域で成層燃焼の火花点
火燃焼から圧縮自己着火燃焼に(又はその逆に)切り替
わる場合と、高負荷域で均質燃焼の火花点火燃焼から圧
縮自己着火燃焼に(又はその逆に)切り替わる場合とで
ある。
【0038】図6は自己着火燃焼を成立させる燃焼パラ
メータのマイナスオーバラップ量の変化を負荷に対して
示している。圧縮自己着火燃焼の低負荷側では、空燃比
がリーンとなり燃料の着火性が悪いため、マイナスオー
バラップ量は多くなる。一方、圧縮自己着火燃焼の高負
荷側では、空燃比がリッチとなり燃料の着火性が良くな
るため、マイナスオーバラップ量は少なくなる。
【0039】このため、火花点火燃焼から圧縮自己着火
運転(又はその逆)への切り替えにおいても、負荷条件
によって、燃焼パラメータの変更方法を異ならせる必要
が生じる。すなわち、バルブタイミングの変更は時定数
が大きく、その変更には数サイクル要する。従って、バ
ルブタイミングが大きく変わる場合には、バルブタイミ
ングがあまり変わらない場合に比べて、切り替えに時間
がかかることになる。このため、低負荷時と高負荷時と
で同じ燃焼切り替え制御を行った場合には、圧縮自己着
火燃焼を行うには、温度が不充分となって燃焼が不安定
となったり、温度が高くなりすぎてノッキングが発生し
たりしてしまう。
【0040】図7には低負荷域での燃焼切り替え時にお
ける火花点火燃焼(成層)及び自己着火燃焼の燃焼パラ
メータとその設定を示す。ここでは、各燃焼形態で特に
マイナスオーバラップ量(マイナスO/L量)とそれに
付随するEGR率とが大きく異なり、また吸気圧(スロ
ットル開度)なども異なる。図8には高負荷域での燃焼
切り替え時における火花点火燃焼(均質)及び自己着火
燃焼の燃焼パラメータとその設定を示す。ここでは、各
燃焼形態で特に噴射回数と噴射時期とが大きく異なり、
また吸気圧なども異なる。
【0041】このように、低負荷域での燃焼形態の切り
替えと、高負荷域での燃焼形態の切り替えとでは、切り
替え時の燃焼パラメータの設定が異なるため、切り替え
制御手順を異ならせる必要がある。図9に火花点火(S
I)燃焼から自己着火(CI)燃焼への切り替え時の熱
発生パターンを示す。SI燃焼では火炎伝播によって燃
焼が進行していくため、熱発生の変化は緩やかになる。
これに対して切り替え制御時に自己着火条件が整ってく
ると、SI燃焼とCI燃焼とが混合した燃焼が起こる。
これはSI燃焼により筒内温度、圧力が上昇するため、
SI燃焼の途中でCI燃焼が開始するためである。従っ
て、CI燃焼条件が整った後もSI燃焼を行っている
と、燃焼が早期化してノッキングを引き起こす。そこ
で、切り替え制御において、点火時期ADVをリタード
する。これによって、ノッキングの発生を防止できる。
【0042】これまで説明してきた燃焼切り替え制御の
流れをフローチャートにより説明する。図10は燃焼切
り替え制御のメインフローである。S11では、エンジ
ン回転数及び負荷Tを検出する。次にS12で、検出さ
れたエンジン回転数及び負荷Tに基づいて、図3のマッ
プから、実行すべき燃焼形態(火花点火燃焼又は自己着
火燃焼)を判断する。
【0043】火花点火燃焼と判断された場合は、S13
で火花点火燃焼制御を実行する。自己着火燃焼と判断さ
れた場合は、S14で自己着火燃焼制御を実行する。燃
焼切り替え時と判断された場合には、S15で切り替え
時制御(図11)を実行する。尚、前回の燃焼形態と今
回の燃焼形態とが異なっているとき、燃焼切り替え時と
判断する。
【0044】ここで、S11,S12の部分が火花点火
燃焼及び圧縮自己着火燃焼の運転条件判断手段に相当
し、S13〜S15の部分が切り替え制御方式設定手段
(S15)を含む燃焼切り替え手段に相当する。図11
は切り替え時制御(図10のS15)のフローである。
本フローが切り替え制御方式設定手段に相当する。
【0045】S21では、負荷Tを検出する。S22で
は、検出された負荷Tに基づいて、切り替えパターン
(低負荷での切り替えか高負荷での切り替えか)を判断
する。低負荷での切り替えと判断された場合は、S23
で低負荷切り替え制御(図12)を実行する。高負荷で
の切り替えと判断された場合は、S24で高負荷切り替
え制御(図16)を実行する。
【0046】図12は低負荷切り替え制御(図11のS
23)のフローである。但し、本フローは低負荷域での
火花点火燃焼から自己着火燃焼への切り替え制御のフロ
ーである。S31では、先ず、時定数の大きい燃焼パラ
メータであるマイナスO/L量、スロットル開度TVO
の変更を行う。このとき他のパラメータ(点火時期AD
V等)は変更しない。
【0047】次にS32で、マイナスO/L量、スロッ
トル開度TVOの変更が完了したか否かを判断し、これ
らの変更が完了したと判断された場合に、S33へ進
む。S33では、点火時期ADVをリタードする。次に
S34で、自己着火燃焼開始か否かを判断する。自己着
火燃焼開始判断は図7に示した燃焼パラメータがすべて
設定された場合に自己着火燃焼開始と判断する。尚、自
己着火燃焼開始の判断は、筒内圧、燃焼安定度、ノッキ
ング強度等から行っても良い。
【0048】自己着火燃焼開始と判断された場合は、S
35へ進み、火花点火を停止して、リターンする。尚、
運転条件によってノッキングを起こさないだけ点火時期
をリタードできる場合には火花点火を停止しなくても良
い。本実施形態では、マイナスO/L量によってEGR
率が変更されているが、EGR率の変更はEGR弁を使
って変更しても良い。但し、その場合にはEGR弁の開
度の変更も時定数が大きいため、マイナスO/L量ある
いはスロットル開度TVOの設定と同じように、最初に
変更を行うことになる。
【0049】また、時定数の大きいマイナスO/L量、
スロットル開度TVOの設定が完了した後に点火時期A
DVのリタードを開始しているが、マイナスO/L量、
スロットル開度TVOの設定が完了していなくても、前
記設定がある程度変化した後に、点火時期ADVのリタ
ードを開始するようにしても良い。次に、高負荷側での
燃焼切り替え制御について説明する。
【0050】先ず高負荷側における自己着火燃焼につい
て説明する。自己着火燃焼の燃焼開始時期はガソリンの
予反応(低温酸化反応)速度に依存するが、この反応速
度に対する空燃比の感度が大きい。すなわち、空燃比を
リッチにした場合には、反応速度が増加する。その結
果、圧縮上死点以前で燃焼が開始し、急激な燃焼とな
り、ノッキングを引き起こす。一方、空燃比をリーンに
した場合には、反応速度が低下する。その結果、圧縮上
死点から遅角した時期で燃焼が開始し、ピストンの下降
により十分な燃焼が行われずに、燃焼不安定を引き起こ
す。
【0051】このように自己着火燃焼を高負荷域で行う
ためには、燃焼開始時期を制御する必要がある。高負荷
域では、燃料噴射を1サイクル中に2回に分けて行い、
燃焼時期を制御する。2回目の燃料噴射は圧縮上死点近
傍で行い、2回目の燃料噴射で燃焼時期を制御する。1
回目の燃料噴射は2回目の燃料噴射以前で、燃料と空気
とを十分に混合して、予混合状態とするため、燃焼開始
時期よりも十分進角した時期に行う。例えば、吸気行程
中に行えば、予混合気を形成することができる。また、
燃料と空気との混合気を成層化したい場合には、目標と
する成層度合に応じて、1回目の燃料噴射時期を吸気下
死点から十分に遅角した時期に燃料噴射を行っても良
い。
【0052】2回目の燃料噴射では、燃焼開始までの時
間が短いため、燃料と空気との予混合が進まない。この
ため、燃料噴射量が多くなった場合には、NOx等のエ
ミッションが増加する可能性がある。そこで、2回目の
燃料噴射では、燃焼を開始するだけの最低限の量を噴射
する。1回目の燃料噴射では、目標とする燃焼時期以前
に燃焼を開始しない燃料量を噴射する。前述したよう
に、エミッションの点から2回目の燃料噴射で噴射でき
る燃料量には制限があるため、目標の燃焼時期以前に燃
焼を開始しないできるだけ多くの燃料を1回目に噴射し
た場合に最も負荷を向上することができることになる。
そして、2回目の燃料噴射で起こる燃焼の発熱量を利用
し、1回目、2回目に噴射した燃料を燃焼させる。
【0053】図13に筒内圧波形を示す。これにより、
2回目に噴射した燃料が自己着火を開始して、1回目に
噴射された主たる燃料の自己着火を引き起こすことが確
認できる。ここで、2回目の燃料噴射は圧縮上死点近傍
で行う。目標とする燃焼時期は上死点後であり、燃料噴
射から燃焼までの期間が短いため、精度良く燃焼時期を
制御することができる。
【0054】前述したように、自己着火燃焼の高負荷側
の限界はノッキング強度で制限される。図14には1サ
イクル中の最大圧力上昇率dP/dtmax とノッキング
強度との関係を示す。圧力上昇率とノッキング強度とに
は相関があり、圧力上昇率が大きくなるとノッキング強
度が強くなる。よって、ノッキングが急激な圧力上昇に
より発生していることがわかる。
【0055】図15に負荷Tと燃焼開始時期θ10とに対
する圧力上昇率(1サイクル中の最大圧力上昇率)dP
/dtmax を示している。θ10は総燃料の10%が燃え
たクランク時期であり、燃焼時期を表す1パラメータで
ある。負荷が大きくなると圧力上昇率が増加することが
わかる。これは負荷大きくなると燃焼する燃料量が大き
くなり、それに伴う発熱量が増加するためである。また
同じ負荷であれば燃焼時期を圧縮上死点から遅角するほ
ど圧力上昇率は低下する。これはピストンが下降する時
に燃焼が行われるため、ピストン下降による圧力の低下
によって燃焼時の圧力上昇率が抑えられるためである。
よって、ノッキング強度を許容レベルに抑えるためには
負荷の増加と共に燃焼時期を上死点から遅角することが
有効である。これにより自己着火燃焼を高負荷域で実施
できる。
【0056】図8に高負荷域での燃焼切り替え時におけ
る燃焼パラメータを示したが、燃料の噴射回数及び噴射
時期と吸気圧とが異なる。ここで、吸気圧の変更すなわ
ちスロットル開度の変更は時定数が大きいため、先ずス
ロットル開度の変更を行う。図16は高負荷切り替え制
御(図11のS24)のフローである。但し、本フロー
は高負荷域での火花点火燃焼から自己着火燃焼への切り
替え制御のフローである。
【0057】S41では、先ず、時定数の大きい燃焼パ
ラメータであるスロットル開度TVOの変更を行う。こ
のとき他のパラメータ(燃料の噴射回数及び噴射時期、
点火時期ADV等)は変更しない。次にS42で、スロ
ットル開度TVOの変更が完了したか否かを判断し、こ
の変更が完了したと判断された場合に、S43,44へ
進む。
【0058】S43,S44では、燃料を2回に分けて
噴射する。先ずS43で、火花点火燃焼時に対して、圧
縮行程時に行う1回目の燃料噴射の噴射量を減量する。
次にS44で、上死点(TDC)付近での2回目の燃料
噴射を行う。この際には自己着火燃焼を開始し易いよう
に、2回目の燃料噴射量は多めに設定している。次にS
45で、点火時期ADVをリタードする。
【0059】次にS46で、自己着火燃焼開始か否かを
判断する。自己着火燃焼開始判断は図8に示した燃焼パ
ラメータがすべて設定された場合に自己着火燃焼開始と
判断する。自己着火燃焼開始と判断された場合は、S4
7へ進み、火花点火を停止する。また、S48で圧縮行
程噴射(1回目)の燃料噴射量を増量する。また、S4
9でTDC付近で行う2回目の燃料噴射量を減量して、
リターンする。
【0060】ここで、低負荷切り替え制御(図12)の
場合と同様、運転条件によってノッキングを起こさない
だけ点火時期をリタードできる場合には火花点火を停止
しなくても良い。また、時定数の大きい燃焼パラメータ
であるスロットル開度TVOの設定が完了した後に他の
燃焼パラメータの変更を開始しているが、スロットル開
度TVOの設定が完了していなくても、前記設定がある
程度変化した後に、他の燃焼パラメータの変更を開始す
るようにしても良い。
【0061】本実施形態では、スロットル開度TVOに
より、吸気圧を制御して、筒内圧を制御しているが、過
給機を利用して、過給圧によって筒内圧を制御するよう
にしても良い。尚、以上では、火花点火燃焼から自己着
火燃焼への切り替え制御について説明してきたが、自己
着火燃焼運転から火花点火燃焼運転への切り替え制御に
ついては逆の手順で同様に行うことができる。
【0062】次に、本発明の第2実施形態について説明
する。第2実施形態の構成は第1実施形態の構成を示す
図1と同じである。第2実施形態はエンジンの回転条件
に応じて燃焼切り替え制御を選択することを特徴とす
る。図17に第2実施形態の切り替えパターンを示す。
本実施形態では火花点火燃焼から自己着火燃焼への高負
荷高回転側での燃焼切り替え時に火花点火燃焼が成層燃
焼となっている。従って、自己着火燃焼領域の高負荷側
においても燃焼切り替え制御を最適に選択する必要があ
る。このため、本実施形態ではエンジン回転数に応じて
燃焼切り替え制御を選択する。
【0063】図18に自己着火燃焼領域の高負荷高回転
側での燃焼切り替えにおける燃焼パラメータの設定を示
す。図8に示した高負荷低回転域での燃焼パラメータに
対して、自己着火燃焼でのマイナスO/L量の設定が異
なる。自己着火燃焼の高負荷高回転側においては、エン
ジン回転が高回転となり、反応時間が短くなることか
ら、着火性を改善するためにマイナスO/Lを設定し、
筒内温度を上昇させている。
【0064】制御の流れをフローチャートにより説明す
る。燃焼切り替え制御のメインフローは第1実施形態
(図10)と同じであるが、S15で切り替え時制御
(図19)を実行する。図19は切り替え時制御(図1
0のS15)のフローである。S51では、エンジン回
転数N及び負荷Tを検出する。
【0065】S52では、切り替えパターンの判断のた
め、検出された負荷Tに基づいて、低負荷か高負荷かを
判断する。低負荷での切り替えと判断された場合は、S
53で低負荷切り替え制御(図12)を実行する。高負
荷での切り替えと判断された場合は、S54に進み、検
出されたエンジン回転数Nに基づいて低回転か高回転か
を判断する。
【0066】低回転(すなわち、高負荷低回転)での切
り替えと判断された場合は、S55で高負荷低回転切り
替え制御(図16)を実行する。高回転(すなわち、高
負荷高回転)での切り替えと判断された場合は、S56
で高負荷高回転切り替え制御(図20)を実行する。図
20は高負荷高回転切り替え制御(図19のS56)の
フローである。本フローも火花点火燃焼から自己着火燃
焼への切り替え制御のフローである。
【0067】この高負荷高回転切り替え制御のフロー
は、高負荷低回転切り替え制御のフロー(図16)と類
似しているが、先ずS61で時定数の大きいマイナスO
/L量及びスロットル開度TVOを変更し、S62でこ
れらの変更の完了を判断している点が異なる。S63〜
S69は図16のS43〜S49と同じである。ここで
も、火花点火燃焼から自己着火燃焼への切り替え制御に
ついてのみ示したが、自己着火燃焼から火花点火燃焼へ
の切り替え制御については逆の手順で同様に行うことが
できる。
【0068】次に、本発明の第3実施形態について説明
する。第3実施形態の構成も第1実施形態の構成を示す
図1と同じである。第3実施形態は燃焼切り替え時の燃
焼状態(均質燃焼又は成層燃焼)に応じて燃焼切り替え
制御を選択することを特徴とする。図21に第3実施形
態の切り替えパターンを示す。本実施形態は低負荷運転
時における火花点火燃焼と自己着火燃焼との燃焼切り替
え時に火花点火燃焼での燃焼状態が均質燃焼と成層燃焼
との2ケースある場合の実施形態である。従って、低負
荷域においても燃焼切り替え制御を火花点火燃焼での燃
焼状態に応じて最適に選択する必要がある。
【0069】低負荷域で火花点火燃焼が成層燃焼である
場合の燃焼切り替え時における燃焼パラメータは図7に
示した通りである。これに対して、火花点火燃焼が均質
燃焼である場合の燃焼切り替え時における燃焼パラメー
タを図22に示す。図22では、図7に対して、火花点
火燃焼において、均質燃焼であるため、吸気圧が負圧大
(スロットル開度小)、噴射時期が吸気行程となってお
り、切り替え時に、スロットル開度の他、噴射時期を大
きく変更する必要がある。
【0070】制御の流れをフローチャートにより説明す
る。燃焼切り替え制御のメインフローは第1実施形態
(図10)と同じであるが、S15で切り替え時制御
(図23)を実行する。図23は燃焼切り替え制御(図
10のS15)のフローである。S71では、負荷Tを
検出する。
【0071】S72では、切り替えパターンの判断のた
め、検出された負荷Tに基づいて、低負荷か高負荷かを
判断する。高負荷での切り替えと判断された場合は、S
76で高負荷切り替え制御(図16)を実行する。低負
荷での切り替えと判断された場合は、S74に進み、成
層燃焼か均質燃焼かを判断する。
【0072】成層燃焼(すなわち、低負荷成層燃焼)で
の切り替えと判断された場合は、S74で低負荷成層切
り替え制御(図12)を実行する。均質燃焼(すなわ
ち、低負荷均質燃焼)での切り替えと判断された場合
は、S75で低負荷均質切り替え制御(図24)を実行
する。図24は低負荷均質切り替え制御(図23のS7
5)のフローである。本フローも火花点火燃焼から自己
着火燃焼への切り替え制御のフローである。
【0073】S81では、先ず、時定数の大きい燃焼パ
ラメータであるマイナスO/L量、スロットル開度TV
Oの変更を行う。このとき他のパラメータ(噴射時期、
点火時期ADV等)は変更しない。次にS82で、マイ
ナスO/L量、スロットル開度TVOの変更が完了した
か否かを判断し、これらの変更が完了したと判断された
場合に、S83へ進む。
【0074】S83では、噴射時期を変更する。また、
S84で、点火時期ADVをリタードする。次にS85
で、自己着火燃焼開始(図22に示した燃焼パラメータ
がすべて設定)か否かを判断する。この結果、自己着火
燃焼開始と判断された場合は、S86へ進み、火花点火
を停止して、リターンする。
【0075】以上のように、この低負荷均質切り替え制
御のフローは、低負荷成層切り替え制御のフロー(図1
2)と類似しているが、マイナスO/L量、スロットル
開度TVOの設定が完了したと判断された場合に、S8
3で噴射時期を変更する点が相違する。本実施形態で
は、火花点火燃焼の燃焼状態(均質燃焼又は成層燃焼)
に応じて、燃焼切り替え制御を変更しているが、自己着
火燃焼の燃焼状態(均質燃焼又は成層燃焼)に応じて、
燃焼切り替え制御を変更するようにしても良い。
【0076】ここでも、火花点火燃焼から自己着火燃焼
への切り替え制御についてのみ示したが、自己着火燃焼
から火花点火燃焼への切り替え制御については逆の手順
で同様に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態のエンジン構成を示す
システム図
【図2】 各燃焼形態での吸排気弁の開閉時期を示す図
【図3】 エンジン回転数及び負荷に対する燃焼形態を
示す図
【図4】 自己着火燃焼の成立範囲について示す図
【図5】 第1実施形態での切り替えパターンについて
示す図
【図6】 負荷に対するマイナスO/L量を示す図
【図7】 低負荷域での切り替え時の燃焼パラメータを
示す図
【図8】 高負荷域での切り替え時の燃焼パラメータを
示す図
【図9】 燃焼切り替え時の熱発生パターンを示す図
【図10】 燃焼切り替え制御(メインフロー)のフロ
ーチャート
【図11】 第1実施形態の切り替え時制御のフローチ
ャート
【図12】 低負荷切り替え制御のフローチャート
【図13】 クランク角度に対する筒内圧力の変化を示
す図
【図14】 圧力上昇率とノッキング強度との関係を示
す図
【図15】 負荷及び燃焼開始時期に対する圧力上昇率
の変化を示す図
【図16】 高負荷切り替え制御のフローチャート
【図17】 第2実施形態での切り替えパターンについ
て示す図
【図18】 高負荷高回転域での切り替え時の燃焼パラ
メータを示す図
【図19】 第2実施形態の切り替え時制御のフローチ
ャート
【図20】 高負荷高回転切り替え制御のフローチャー
【図21】 第3実施形態での切り替えパターンについ
て示す図
【図22】 低負荷域(均質)での切り替え時の燃焼パ
ラメータを示す図
【図23】 第3実施形態の切り替え時制御のフローチ
ャート
【図24】 低負荷均質切り替え制御のフローチャート
【符号の説明】
1 エンジン本体 2 ピストン 3 燃焼室 4 吸気通路 5 電制スロットル弁 6 吸気弁 7 燃料噴射弁 8 点火プラグ 9 排気弁 10 排気通路 11,12 可変バルブタイミング機構 13 EGR通路 14 EGR弁 20 ECU 21 運転条件判断手段 22 燃焼切り替え制御手段 23 切り替え制御方式設定手段
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02D 41/04 360 F02D 41/04 360B 370 370 380 380B 385 385B 43/00 301 43/00 301B 301Z 301K 301R 301N 301J 301H 45/00 310 45/00 310H 310N (72)発明者 平谷 康治 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 山口 浩一 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 Fターム(参考) 3G023 AA01 AA06 AB05 AC04 AG01 AG02 AG03 3G084 AA01 AA04 BA05 BA07 BA09 BA13 BA15 BA16 BA17 BA20 BA23 CA00 CA03 CA04 CA09 DA28 DA38 EA11 EC01 FA10 FA33 FA38 3G092 AA01 AA02 AA06 AA09 AA17 AA18 BA04 BA09 BA10 BB01 BB06 BB12 CB04 DA03 DB03 DC01 DC09 EA04 EA09 EA11 EA22 EC10 FA15 FA16 GA03 GA16 HE01Z HE03Z HF08Z 3G301 HA01 HA04 JA00 JA22 KA06 KA23 LA01 LA07 LB11 MA00 PA17A PE03A PF03A

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】火花点火による燃焼と圧縮自己着火による
    燃焼とを機関の運転条件に応じて切り替えることが可能
    な内燃機関の燃焼制御装置において、 現在の運転条件が、火花点火による燃焼を行うべき運転
    条件であるか、圧縮自己着火による燃焼を行うべき運転
    条件であるかを判断する判断手段と、 前記判断手段の判断結果が変化したときに、一方の燃焼
    から他方の燃焼へ燃焼形態を切り替える燃焼切り替え手
    段と、 前記燃焼切り替え手段が実行する燃焼切り替え制御の方
    式を、前記判断手段の判断結果が変化した前後の運転条
    件に応じて設定する切り替え制御方式設定手段と、 を備えることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
  2. 【請求項2】前記燃焼切り替え制御は、設定される方式
    により、切り替え時に変更する燃焼パラメータが異なる
    ことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の燃焼制御装
    置。
  3. 【請求項3】前記燃焼切り替え制御は、設定される方式
    により、切り替え時に変更する燃焼パラメータの変更手
    順が異なることを特徴とする請求項1又は請求項2記載
    の内燃機関の燃焼制御装置。
  4. 【請求項4】前記燃焼切り替え制御の方式を設定する運
    転条件は、少なくとも機関の負荷とすることを特徴とす
    る請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の内燃機関
    の燃焼制御装置。
  5. 【請求項5】前記燃焼切り替え制御の方式を設定する運
    転条件は、少なくとも機関の回転数とすることを特徴と
    する請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の内燃機
    関の燃焼制御装置。
  6. 【請求項6】前記燃焼切り替え制御の方式を設定する運
    転条件は、少なくとも成層燃焼又は均質燃焼のうちいず
    れの燃焼状態であるかとすることを特徴とする請求項1
    〜請求項5のいずれか1つに記載の内燃機関の燃焼制御
    装置。
  7. 【請求項7】前記燃焼切り替え制御は、切り替え時に変
    更する燃焼パラメータを、時定数に基づいて、第1群と
    第2群とに分け、第1群の燃焼パラメータの変更を開始
    した後に、第2群の燃焼パラメータを変更することを特
    徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の内
    燃機関の燃焼制御装置。
  8. 【請求項8】前記第1群の燃焼パラメータは、吸排気弁
    の開閉時期、スロットル開度、過給圧及びEGR弁開度
    のうち少なくとも1つとし、第2群の燃焼パラメータ
    は、点火時期、燃料噴射回数、燃料噴射時期及び燃料噴
    射量のうち少なくとも1つとすることを特徴とする請求
    項7記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  9. 【請求項9】前記燃焼切り替え制御は、火花点火による
    燃焼から圧縮自己着火による燃焼に切り替える際に、第
    1群の燃焼パラメータの変更を開始した後に、第2群の
    燃焼パラメータである点火時期を遅角することを特徴と
    する請求項8記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  10. 【請求項10】前記燃焼切り替え制御は、火花点火によ
    る燃焼から圧縮自己着火による燃焼に切り替える際に、
    圧縮自己着火による燃焼の開始後に火花点火を停止する
    ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか1つに
    記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  11. 【請求項11】圧縮自己着火による燃焼から火花点火に
    よる燃焼への切り替え制御は、火花点火による燃焼から
    圧縮自己着火による燃焼への切り替え制御と逆の手順と
    することを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか
    1つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
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