JP2004027962A - Controller for spark ignition-type four-cycle engine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式4サイクルエンジンの制御装置に関し、より詳しくは、多気筒のエンジンにおいて燃費改善及びエミッション向上のために各気筒の燃焼状態を制御する装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、火花点火式エンジンにおいて、各気筒内の混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせることにより燃費改善を図る技術が知られており、例えば特開平10−274085号公報に示されるように、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、低速低負荷域等では上記燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼を行わせ、これによって超リーン燃焼を実現するようにしたものが知られている。
【0003】
このようなエンジンにおいては、排気ガス浄化用の触媒として通常の三元触媒(HC,CO及びNOxに対して理論空燃比付近で浄化性能の高い触媒)だけではリーン運転時にNOxに対して充分な浄化性能が得られないため、上記公報にも示されるように、酸素過剰雰囲気でNOxを吸着して酸素濃度低下雰囲気でNOxの離脱、還元を行うリーンNOx触媒を設けている。そして、このようなリーンNOx触媒を用いる場合、リーン運転中にリーンNOx触媒のNOx吸着量が増大したときは、例えば上記公報に示されるように主燃焼以外に膨張行程中に追加燃料を噴射することで排気ガスの空燃比をリッチ化するとともにCOを生成し、これによってNOxの離脱、還元を促進するようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のリーン運転を行うエンジンでは、リーン運転中のNOx浄化性能の確保のために上記リーンNOx触媒が必要となってコスト的に不利である。また、上記リーンNOx触媒の浄化性能を維持するためには、上述のようにNOx吸着量増大時にNOxの離脱、還元のため追加燃料の供給等による一時的な空燃比のリッチ化を行う必要があり、さらに、使用燃料が硫黄分を多く含む場合、上記リーンNOx触媒の硫黄被毒の解消のために触媒の加熱及び還元材供給等のリジェネレーション処理が必要となり、これらによって燃費改善効果が低下する。
【0005】
しかも、空燃比がある程度以上にリーンになると、燃焼速度が遅くなりすぎてその終期に近い燃焼が仕事に寄与しなくなるため、成層燃焼でのリーン化による燃費改善には限界があった。
【0006】
また、燃費改善のための別の手法として、圧縮自己着火が研究されており、この圧縮自己着火は、ディーゼルエンジンと同様に圧縮行程終期に燃焼室内を高温、高圧にして燃料を自己着火させるようにするものであり、空燃比が超リーンの状態や多量のEGRが導入されている状態でもこのような圧縮自己着火が行われれば燃焼室全体が一気に燃焼するため、仕事に寄与しない遅い燃焼が避けられ、燃費改善に有利となる。しかし、通常の火花点火式エンジン(ガソリンエンジン)では燃焼のために強制点火が必要であって、圧縮自己着火を行わせるためには燃焼室内の温度または圧力を大幅に高めるための格別の工夫が必要となり、高負荷域でのノッキングを避けつつ、燃費改善が要求される部分負荷域で圧縮自己着火を生じさせる程度まで燃焼室内の温度または圧力を高めることが困難であった。
【0007】
そこで、本出願人は、リーン燃焼と圧縮自己着火とを併用して大幅な燃費改善効果をもたせるべく、エンジンの部分負荷域で、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入される2気筒接続状態とするとともに、先行気筒では空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比にして、強制点火により燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して圧縮自己着火により燃焼を行わせるようにした火花点火式エンジンの制御装置に関する技術を出願している(特願2002−29836号)。
【0008】
本発明は、このような技術に基づき、エンジンの部分負荷域で、上記2気筒接続状態として、先行気筒でリーン燃焼を行わせるとともに後続気筒ではできるだけ圧縮自己着火による燃焼を行わせ、特にこの場合の自己着火性を高め、効果的に燃費及びエミッションの改善を図ることができる火花点火式4サイクルエンジンの制御装置を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもって行われるようになっている多気筒の火花点火式4サイクルエンジンにおいて、エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出されるガスが排気通路に導かれるような2気筒接続状態としつつ、上記先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼を行わせ、上記後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して実質的に理論空燃比で燃焼を行わせるようにした制御装置であって、上記特殊運転モードでの制御時に上記後続気筒における燃焼を圧縮自己着火で行わせるか強制点火で行わせるかをエンジンの状態に応じて選択する着火制御手段と、上記特殊運転モードでの制御時に、上記着火制御手段による選択に応じ、上記後続気筒における燃焼を圧縮自己着火で行わせる場合は、上記先行気筒の空燃比が、理論空燃比よりも大きく、かつ、後続気筒における燃焼を強制点火で行わせる場合と比べて小さい値となるように、燃料供給量を制御する燃料制御手段とを備えたものである。
【0010】
この発明によると、上記特殊運転モードとされるとともに後続気筒で圧縮自己着火により燃焼が行われる場合に、先行気筒ではリーン燃焼による熱効率向上およびポンピングロス低減により燃費改善効果が得られ、後続気筒では圧縮自己着火による燃焼効率の向上及びポンピングロス低減により燃費改善効果が得られる。また、後続気筒から排気通路に排出されるガスは理論空燃比であるため、三元触媒だけで充分に排気ガスの浄化が達成される。
【0011】
また、後続気筒が圧縮自己着火とされる場合は強制点火とされる場合と比べ、先行気筒における空燃比が小さい値となるように、先行気筒に対する燃料供給量が多くされることにより、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度が高められて自己着火性が向上され、かつ、このガス中のEGRに相当する既燃ガス成分が増大する等によりノッキング抑制作用が高められる。
【0012】
この発明において、エンジンの温度状態を判別する手段を備えるとともに、上記着火制御手段は、上記特殊運転モードでの制御時に、同一運転領域でもエンジンの温度状態に応じて上記圧縮自己着火と上記強制点火との選択を行うことが好ましい。この場合、上記着火制御手段は、上記特殊運転モードでの制御時に、エンジンの暖機後であってもエンジン温度が所定温度以下の低温時には上記強制点火、所定温度よりも高い高温時には上記圧縮自己着火とするように制御すればよい。
【0013】
このようにすれば、エンジン暖機後でも比較的エンジンの温度が低くて、自己着火が困難な状況にある場合は強制点火とされ、エンジン温度がある程度高くなれば有効に圧縮自己着火が行われる。
【0014】
また、燃料のオクタン価を判別する手段を備えるとともに、上記燃料制御手段は、上記特殊運転モードとされる運転領域のうちの高速、高負荷側の領域での当該モードによる制御時において後続気筒における燃焼が圧縮自己着火により行われる場合に、上記オクタン価の判別に応じ、オクタン価が低いほど上記先行気筒の空燃比を小さくするように燃料供給量を補正することが好ましい。
【0015】
このようにすると、燃料のアンチノック性を示すオクタン価が低いほど、後続気筒での圧縮自己着火による燃焼でノッキングが生じることを抑制するように燃焼状態が制御される。すなわち、先行気筒への燃料供給量を多くすることで先行気筒の空燃比を小さくすると、後続気筒へ導入されるガスの温度は高くなるものの、後続気筒に対するガス中のEGRに相当する既燃ガス成分の増加により後続気筒での急激な燃焼が緩和されるとともに、後続気筒の空燃比を略理論空燃比とするという条件下では先行気筒への燃料供給量が増加する分だけ後続気筒への燃料供給量が少なくなって後続気筒での燃焼エネルギーが減少し、これらの作用で後続気筒におけるノッキングが抑制される。そして、上記高速高負荷側の領域でノッキングが抑制される分だけ、圧縮自己着火領域を拡大することができる。
【0016】
さらに、上記特殊運転モードとされる運転領域のうちの低速、低負荷側の領域での当該モードによる制御時において後続気筒における燃焼が圧縮自己着火により行われる場合に、上記オクタン価の判別に応じ、オクタン価が高いほど上記先行気筒の空燃比を小さくするように燃料供給量を補正することも好ましい。
【0017】
このようにすると、自己着火しにくくなる情況下において、自己着火性が高められる。すなわち、低速、低負荷側の領域では燃料供給量が少なくて発熱量が少ないことにより自己着火に対して不利になり、さらに燃料のオクタン価が高いとアンチノック性が高い分だけ自己着火により一層不利となる。このような場合に、先行気筒への燃料供給量を多くすることで先行気筒の空燃比を小さくすると、先行気筒における発熱量が増加して、後続気筒に導入されるガスの温度が高められるため、上記のような自己着火に不利な情況下でも、充分に圧縮自己着火が行われることとなる。
【0018】
また、上記着火制御手段は、上記特殊運転モードとされる運転領域のうちの低速域で、上記圧縮自己着火と上記強制点火との選択を行うようにすればよい。すなわち、低速域では中・高速域に比べると本来的に圧縮時の燃焼室内の温度上昇は小さいので、この領域で例えばエンジン温度が低い等、圧縮自己着火に不利な条件が加わった場合には、強制点火とすればよい。
【0019】
また、上記燃料制御手段は、上記特殊運転モードでの制御時において上記後続気筒における燃焼が強制点火により行われる場合に、上記先行気筒の空燃比が理論空燃比の2倍よりも大きい値となるように燃料供給量を制御することが好ましい。このようにすると、先行気筒の空燃比が理論空燃比の2倍以下の場合と比べ、先行気筒でのリーン燃焼による燃費改善効果が高められ、一方、後続気筒に導入されるガスの温度は低くなるが、強制点火により燃焼は確保される。
【0020】
また、上記着火制御手段は、上記特殊運転モードでの制御時において上記圧縮自己着火とする場合に、上記後続気筒に対し、上記強制点火とする場合の点火時期よりも所定量リタードした時期にバックアップのための点火を行わせることが好ましい。この場合、バックアップのための点火の時期は、圧縮上死点より後であって、圧縮上死点の近傍に設定すればよい。
【0021】
このようにすれば、圧縮自己着火が行われる場合に、何らかの原因で圧縮自己着火が良好に行われないような事態が生じたときにも、上記バックアップのための点火により着火、燃焼が行われ、エミッション等の悪化を招くことが避けられる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【0023】
図1は本発明の一実施形態によるエンジンの概略構成を示し、図2はエンジン本体1の一つの気筒とそれに対して設けられた吸・排気弁等の構造を概略的に示している。これらの図において、エンジン本体1は複数の気筒を有し、図示の実施形態では4つの気筒2A〜2Dを有している。各気筒2A〜2Dにはピストン3が嵌挿され、ピストン3の上方に燃焼室4が形成されている。
【0024】
各気筒2の燃焼室4の頂部には点火プラグ7が装備され、そのプラグ先端が燃焼室4内に臨んでいる。この点火プラグ7には、電子制御による点火時期のコントロールが可能な点火回路8が接続されている。
【0025】
燃焼室4の側方部には、燃焼室4内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁9が設けられている。この燃料噴射弁9は、図略のニードル弁及びソレノイドを内蔵し、後述のパルス信号が入力されることにより、そのパルス入力時期にパルス幅に対応する時間だけ駆動されて開弁し、その開弁時間に応じた量の燃料を噴射するように構成されている。なお、この燃料噴射弁9には図外の燃料ポンプにより燃料供給通路等を介して燃料が供給され、かつ、圧縮行程での燃焼室内の圧力よりも高い燃料圧力を与え得るように燃料供給系統が構成されている。
【0026】
また、各気筒2A〜2Dの燃焼室4に対して吸気ポート11、11a,11b及び排気ポート12、12a,12bが開口し、これらのポートに吸気通路15、排気通路20等が接続されるとともに、各ポートが吸気弁31、31a,31b及び排気弁32、32a,32bにより開閉されるようになっている。
【0027】
そして、各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行うようになっており、4気筒エンジンの場合、気筒列方向一端側から1番気筒2A、2番気筒2B、3番気筒2C、4番気筒2Dと呼ぶと、図5及び図6に示すように上記サイクルが1番気筒2A、3番気筒2C、4番気筒2D、2番気筒2Bの順にクランク角で180°ずつの位相差をもって行われるようになっている。なお、図6及び図7は4サイクル4気筒エンジンにおける各気筒の行程、燃料噴射時期、点火時期等を示すもので、後に詳述するように図6は特殊運転モードにおいて後続気筒が圧縮自己着火とされる場合、図7は特殊運転モードにおいて後続気筒が強制点火とされる場合を示している。これらの図において、EXは排気行程、INは吸気行程であり、また、Fは燃料噴射、Sは強制点火を表し、図中の星マークは圧縮自己着火が行われることを表している。
【0028】
排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間には、排気行程と吸気行程が重なるときの排気行程側の気筒(当明細書ではこれを先行気筒と呼ぶ)から吸気行程側の気筒(当明細書ではこれを後続気筒と呼ぶ)へ既燃ガスをそのまま導くことができるように、気筒間ガス通路22が設けられている。当実施形態の4気筒エンジンでは、図6及び図7に示すように1番気筒2Aの排気行程(EX)と2番気筒2Bの吸気行程(IN)とが重なり、また4番気筒2Dの排気行程(EX)と3番気筒2Cの吸気行程(IN)が重なるので、1番気筒2Aと2番気筒2B、及び、4番気筒2Dと3番気筒2Cがそれぞれ一対をなし、1番気筒2A及び4番気筒2Dが先行気筒、2番気筒2B及び3番気筒2Cが後続気筒となる。
【0029】
各気筒の吸・排気ポートとこれに接続される吸気通路、排気通路及び気筒間ガス通路は、具体的には次のように構成されている。
【0030】
先行気筒である1番気筒2A及び4番気筒2Dには、それぞれ、新気を導入するための吸気ポート11と、既燃ガス(排気ガス)を排気通路に送り出すための第1排気ポート12aと、既燃ガスを後続気筒に導出するための第2排気ポート12bとが配設されている。また、後続気筒である2番気筒2B及び3番気筒2Cには、それぞれ、新気を導入するための第1吸気ポート11aと、先行気筒からの既燃ガスを導入するための第2吸気ポート11bと、既燃ガスを排気通路に送り出すための排気ポート32とが配設されている。
【0031】
図1に示す例では、1番,4番気筒2A,2Dにおける吸気ポート11および2番,3番気筒2B,2Cにおける第1吸気ポート11aが、1気筒当り2個ずつ、燃焼室の左半部側に並列的に設けられる一方、1番,4番気筒2A,2Dにおける第1排気ポート12a及び第2排気ポート12bならびに2番,3番気筒2B,2Cにおける第2吸気ポート11b及び排気ポート12が、燃焼室の右半部側に並列的に設けられている。
【0032】
1番,4番気筒2A,2Dにおける吸気ポート11および2番,3番気筒2B,2Cにおける第1吸気ポート11aには、吸気通路15における気筒別の分岐吸気通路16の下流端が接続されている。各分岐吸気通路16の下流端近傍には、共通の軸を介して互いに連動する多連スロットル弁17が設けられており、この多連スロットル弁17は制御信号に応じてアクチュエータ18により駆動され、吸入空気量を調節するようになっている。なお、吸気通路15における集合部より上流の共通吸気通路には吸気流量を検出するエアフローセンサ19が設けられている。
【0033】
1番,4番気筒2A,2Dにおける第1排気ポート12aおよび2番,3番気筒2B,2Cにおける排気ポート12には、排気通路20における気筒別の分岐排気通路21の上流端が接続されている。また、1番気筒2Aと2番気筒2Bとの間及び3番気筒2Cと4番気筒2Dとの間にそれぞれ気筒間ガス通路22が設けられ、先行気筒である1番,4番気筒2A,2Dの第2排気ポート12bに気筒間ガス通路22の上流端が接続されるとともに、後続気筒である2番,3番気筒2B,2Cの第2吸気ポート11bに気筒間ガス通路22の下流端が接続されている。
【0034】
上記気筒間ガス通路22は、互いに隣接する気筒間を接続する比較的短い通路であり、先行気筒から排出されるガスがこの通路22を通る間の放熱は比較的小さく抑えられるようになっている。
【0035】
排気通路20における分岐排気通路21の下流の集合部には排気ガス中の酸素濃度を検出することにより空燃比を検出するO2センサ23が設けられている。さらにO2センサ23の下流の排気通路21には排気浄化のために三元触媒24が設けられている。この三元触媒24は、一般に知られているように、排気ガスの空燃比が理論空燃比(つまり空気過剰率λがλ=1)付近にあるときにHC,CO及びNOxに対して高い浄化性能を示す触媒である。
【0036】
各気筒の吸・排気ポートを開閉する吸・排気弁とこれらに対する動弁機構は、次のようになっている。
【0037】
1番,4番気筒2A,2Dにおける吸気ポート11、第1排気ポート12a及び第2排気ポート12bにはそれぞれ吸気弁31、第1排気弁32a及び第2排気弁32bが設けられ、また、2番,3番気筒2B,2Cにおける第1吸気ポート11a、第2吸気ポート11b及び排気ポート12にはそれぞれ第1吸気弁31a、第2吸気弁31b及び排気弁32が設けられている。そして、各気筒の吸気行程や排気行程が上述のような所定の位相差をもって行われるように、これら吸・排気弁がそれぞれカムシャフト33,34等からなる動弁機構により所定のタイミングで開閉するように駆動される。
【0038】
さらに、これらの吸・排気弁のうちで第1排気弁32a、第2排気弁32b、第1吸気弁31a及び第2吸気弁31bに対しては、各弁を作動状態と停止状態とに切換える弁停止機構35が設けられている。この弁停止機構35は、従来から知られているため詳しい図示は省略するが、例えば、カムシャフト33,34のカムと弁軸との間に介装されたタペットに作動油の給排が可能な油圧室が設けられ、この油圧室に作動油が供給されている状態ではカムの作動が弁に伝えられて弁が開閉作動され、油圧室から作動油が排出されたときにはカムの作動が弁に伝えられなくなることで弁が停止されるようになっている。
【0039】
上記第1排気弁32aの弁停止機構35と第1吸気弁31aの弁停止機構35とに対する作動油給排用の通路36には第1コントロール弁37が、また第2排気弁32bの弁停止機構35と第2吸気弁31bの弁停止機構35とに対する作動油給排用の通路38には第2コントロール弁39がそれぞれ設けられている(図3参照)。
【0040】
図3は駆動、制御系統の構成を示している。この図において、マイクロコンピュータ等からなるエンジン制御用のECU(コントロールユニット)40には、エアフローセンサ19及びO2センサ23からの信号が入力されるとともに、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサからの信号が入力され、さらに運転状態を判別するためにエンジン回転数を検出する回転数センサ52及びアクセル開度(アクセルペダル踏込み量)を検出するアクセル開度センサ53等からの信号も入力されている。また、このECU40から、各燃料噴射弁9と、多連スロットル弁17のアクチュエータ18と、上記第1,第2のコントロール弁39とに対して制御信号が出力されている。
【0041】
上記ECU40は、運転状態判別手段41、温度状態判別手段42、モード設定手段43、弁停止機構制御手段44、吸入空気量制御手段45、燃料制御手段46及び着火制御手段47を備えている。
【0042】
上記運転状態判別手段41は、図4に示すようにエンジンの運転領域が低速低負荷側の領域A(部分負荷域)と高速側ないし高負荷側の領域Bとに分けられた制御用マップを有し、低速低負荷側の領域Aを特殊運転モード領域、高速側ないし高負荷側の領域Bを通常運転モード領域とする。そして、上記回転数センサ52及びアクセル開度センサ53等からの信号により調べられるエンジンの運転状態(エンジン回転数及びエンジン負荷)が上記領域A,Bのいずれにあるかを判別する。
【0043】
さらに運転状態判別手段41は、運転状態が特殊運転モード領域Aにある場合に、この領域Aのうちの低速低負荷側の領域A1にあるか、それ以外の領域にあるかを判別するようになっている。
【0044】
上記温度状態判別手段42は、水温センサ51からの信号によってエンジンの温度状態を判別するものであり、水温(エンジン温度)が所定値以下の低温時か所定温度より高い高温時かを判別するようになっている。
【0045】
上記モード設定手段43は、運転状態判別手段41による判別に基づき、上記特殊運転モード領域Aでは、排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスをそのまま吸気行程にある後続気筒に導入して燃焼させる特殊運転モードを選択し、上記通常運転モード領域Bでは、各気筒をそれぞれ独立させ燃焼させる通常運転モードを選択する。さらに、特殊運転モードとする場合に、温度状態判別手段42によるエンジンの温度状態の判別に基づき、上記低温時には後続気筒での燃焼を強制点火により行わせる強制点火モードを選択し、上記高温時には後続気筒での燃焼を圧縮自己着火により行わせる圧縮自己着火モードを選択するようになっている。
【0046】
上記弁停止機構制御手段44は、モード設定手段43によるモードの設定に応じ、特殊運転モードでは気筒間ガス通路22を介して先行気筒の既燃ガスを後続気筒に導入させる2気筒接続状態とし、通常運転モードでは各気筒にそれぞれ新気を導入させる各気筒独立状態とするように吸・排気流通状態を変更すべく弁停止機構制35を制御するもので、具体的には運転状態が領域A,Bのいずれにあるかに応じ、上記各コントロール弁37,39を制御することにより、各弁停止機構35を次のように制御する。
【0047】
上記吸入空気量制御手段45は、アクチュエータ18を制御することによりスロットル弁17の開度(スロットル開度)を制御するものであり、運転状態に応じてマップ等から目標吸入空気量を求め、その目標吸入空気量に応じてスロットル開度を制御する。この場合、特殊運転モードとされる運転領域Aでは、後続気筒(2番、3番気筒2B,2C)においては分岐吸気通路16からの吸気導入が遮断された状態で先行気筒から導入されるガス中の過剰空気と新たに供給される燃料との比がリーン空燃比とされつつ燃焼が行われるので、先行、後続の2気筒分の要求トルクに応じた燃料の燃焼に必要な量の空気(2気筒分の燃料の量に対して理論空燃比となる量の空気)が先行気筒(1番、4番気筒2A,2D)に供給されるように、スロットル開度が調節される。
【0048】
上記燃料制御手段46は、各気筒2A〜2Dに設けられた燃料噴射弁9からの燃料噴射量及び噴射タイミングをエンジンの運転状態に応じて制御し、また上記点火制御手段46は、運転状態に応じた点火時期の制御及び点火停止等の制御を行う。そして、特に上記モード設定手段43により設定されるモードに応じ、燃焼状態の制御(燃料の制御及び点火の制御)が変更される。
【0049】
すなわち、特殊運転モードが設定された場合、先行気筒2A,2Dに対しては、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比とするように燃料噴射量を制御するとともに、圧縮行程で燃料を噴射して混合気の成層化を行わせるように噴射時期を設定し、かつ、圧縮上死点付近で強制点火を行わせるように点火時期を設定する。
【0050】
一方、後続気筒2B,2Cに対しては、先行気筒2A,2Dから導入されたリーン空燃比の既燃ガスに対して燃料を供給し、後続気筒2B,2Cでの燃焼の際に実質的に理論空燃比となるように燃料噴射量を制御する。そして、この特殊運転モードの中で圧縮自己着火モードが選択されたときは、吸気行程で燃料を噴射して混合気を均一化するように噴射時期を設定するとともに、圧縮自己着火を行わせるべく、強制点火を停止させる。また、強制点火モードが選択されたときは、圧縮行程で燃料を噴射するように噴射時期を設定するとともに、圧縮上死点付近の所定時期に強制点火を行わせるように点火時期を設定する。
【0051】
さらにこの特殊運転モードにおいて、一対の気筒の両方に対する燃料噴射量の和が先行気筒2A,2Dに導入される空気の量に対して理論空燃比となる量に調整されつつ、圧縮自己着火モードが選択された場合と強制点火モードが選択された場合とで、先行気筒2A,2Dに対する燃料噴射量と後続気筒2B,2Cに対する燃料噴射量との割合が変更されることにより、先行気筒2A,2Dの空燃比が変更される。そして、圧縮自己着火モードが選択された場合、先行気筒2A,2Dの空燃比が理論空燃比よりも大(空気過剰率λが1<λ)となり、かつ、強制点火モードが選択された場合と比べて小さくなるように燃料噴射量が調整される。
【0052】
具体的には、強制点火モードでは先行気筒2A,2Dに対する燃料噴射量が後続気筒2B,2Cに対する燃料噴射量と同程度もしくはそれ以下とされることにより先行気筒2A,2Dの空燃比が理論空燃比の2倍程度(A/F≒30)もしくはそれより大とされるのに対し、圧縮自己着火モードでは先行気筒2A,2Dに対する燃料噴射量が後続気筒2B,2Cに対する燃料噴射量よりも多くされて、先行気筒2A,2Dの空燃比が例えばA/F≒25とされる。
【0053】
なお、圧縮自己着火モードにおける先行気筒2A,2Dの空燃比は運転状態に応じて変更してもよい。このようにする場合には、後に詳述するように自己着火性向上及びノッキング抑制のため、特殊運転モード領域A内の低速低負荷側や高速高負荷側で、同領域Aの中速中負荷域と比べ、先行気筒2A,2Dの空燃比を小さくする(先行気筒2A,2Dに対する燃料供給量の割合を多くする)ことが好ましい。
【0054】
また、通常運転モードが選択された場合には、各気筒2A〜2Dの空燃比を理論空燃比もしくはそれ以下とするように燃料噴射量を制御し、例えばこの運転領域Bのうちの大部分の領域において理論空燃比とし、全開負荷及びその付近の運転領域で理論空燃比よりリッチとする。そして、この場合に、各気筒2A〜2Dに対して吸気行程で燃料を噴射して混合気を均一化するように噴射時期を設定し、かつ、各気筒2A〜2Dとも強制点火を行わせるようにする。
【0055】
なお、ECU40は、好ましくはさらに燃料のオクタン価を判別する手段を備え、後述のフローチャートに示すように、特殊運転モードにおける圧縮自己着火モードの場合に、この領域Aのうちの低速、低負荷側の領域A1にあるか否かということと、燃料のオクタン価とに応じ、先行気筒の空燃比の補正(燃料噴射量の補正)を行うようになっている。
【0056】
上記ECU40に含まれる各手段による処理をフローチャートで示すと、図5のようになる。
【0057】
このフローチャートの処理がスタートすると、先ずステップS1で各種信号が入力され、次にステップS2で、運転状態が特殊運転モード領域Aにあるか否かが判定される。
【0058】
特殊運転モード領域Aにある場合には、ステップS3で吸・排気弁が特殊運転モードに制御され、つまり前述のような弁停止機構機構35の制御により吸・排気流通状態が2気筒接続状態となるように制御されるとともに、ステップS4で特殊運転モードでの目標吸入空気量が得られるようにスロットル弁17が制御される。さらに、ステップS5で、エンジンの温度状態が所定温度以下の低温であるか否かが判定される。
【0059】
ステップS5の判定がYESの場合は、ステップS6で強制点火モードが選択されて、先行気筒2A,2D及び後続気筒2B,2Cがともに強制点火とされるように各気筒2A〜2Dの点火時期が設定されるとともに、ステップS7で燃料噴射量が演算される。この場合、先行気筒2A,2Dでの空気過剰率λを1よりも大きい所定値λa(例えばλa≒2)とするとともに、後続気筒2B,2Cでの空気過剰率λをλ≒1とするように、各気筒2A〜2Dに対する燃料噴射量が演算される。さらに、ステップS8で、先行気筒2A,2Dでは成層燃焼のため圧縮行程噴射とし、後続気筒2B,2Cでも着火性確保のため圧縮行程噴射とするように、各気筒2A〜2Dの燃料噴射時期が演算される。そして、ステップS9で、演算ないし設定された各気筒2A〜2Dに対する燃料噴射量、燃料噴射時期及び点火時期に従って燃料噴射及び点火の制御が行われる。
【0060】
上記ステップS5の判定がNOの場合、つまりエンジンが所定温度より高温の状態にある場合は、ステップS10で圧縮自己着火モードが選択されて、先行気筒2A,2Dのみ強制点火とされるように点火時期が設定されるとともに、ステップS11で燃料噴射量が演算される。この場合、先行気筒2A,2Dでの空気過剰率λを1<λb<λaとなる値とするとするとともに、後続気筒2B,2Cでの空気過剰率λをλ≒1とするように、各気筒2A〜2Dに対する燃料噴射量が演算される。
【0061】
続いてステップS12で、特殊運転モード領域Aのうちの領域A1にあるか否かが判定され、その判定がYESの場合はステップS13で燃料のオクタン価が高いか否かが判定され、ステップS12の判定がNOの場合はステップS14で燃料のオクタン価が低いか否かが判定される。
【0062】
これらの判定に基づき、運転状態が上記領域A1内にあって、燃料のオクタン価が高い場合には、ステップS15で、オクタン価に応じて先行気筒2A,2Dの空燃比がリッチ側に補正され、つまり、オクタン価が高いほど先行気筒2A,2Dの空燃比が小さくなる(燃料噴射量が多くなる)ように補正される。また、運転状態が特殊運転モード領域A内の上記領域A1外にあって、燃料のオクタン価が低い場合にもステップS15に移ってオクタン価に応じた補正が行われ、この場合にオクタン価が低いほど先行気筒2A,2Dの空燃比が小さくなる(燃料噴射量が多くなる)ように補正される。
【0063】
ステップS15の処理が行われた場合、あるいはステップS13またはステップS14の判定がNOの場合は、ステップS8に移って各気筒2A〜2Dの燃料噴射時期の演算が行われるが、この場合、先行気筒2A,2Dでは成層燃焼のため圧縮行程噴射とされる一方、後続気筒2B,2Cでは吸気行程噴射とされる。そして、ステップS9で燃料噴射及び点火の制御が行われる。
【0064】
また、上記ステップS2の判定がNOの場合、つまり運転状態が通常運転モード領域Bにある場合には、ステップS16で吸・排気弁が通常運転モードに制御され、つまり前述のような弁停止機構機構35の制御により吸・排気流通状態が各気筒独立状態となるように制御されるとともに、ステップS17で通常運転モードでの目標吸入空気量が得られるようにスロットル弁17が制御される。さらに、ステップS18で、各気筒2A〜2Dとも強制点火を行わせるように点火時期が設定されるとともに、ステップS19で、各気筒2A〜2Dでの空気過剰率λが1以下となるように各気筒2A〜2Dに対する燃料噴射量が演算され、さらにステップS20で、いずれの気筒も均一燃焼のため吸気行程噴射とするように燃料噴射時期が演算される。そして、ステップS9で燃料噴射及び点火の制御が行われる。
【0065】
以上のような当実施形態の装置の作用を、図6〜図9を参照しつつ説明する。
【0066】
低速低負荷側の特殊運転モード領域Aでは、特殊運転モードとされ、前述のように第1排気弁32a及び第1吸気弁31aが停止状態、第2排気弁32b及び第2吸気弁31bが作動状態とされることにより、実質的な新気及びガスの流通経路は図8に示すようになり、先行気筒2A,2Dから排出される既燃ガスがそのまま気筒間ガス通路22を介して後続気筒2B,2Cに導入されるとともに、この後続気筒2B,2Cから排出されるガスのみが排気通路20に導かれるような2気筒接続状態とされる。
【0067】
この状態において、先行気筒2A,2Dにそれぞれ吸気行程で吸気通路15から新気が導入され(図8中の矢印a)、先行気筒2A,2Dでは空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比となるように燃料噴射量が制御されつつ圧縮行程で燃料が噴射され、かつ、所定点火時期に点火が行われて、成層燃焼が行われる(図6、図7参照)。
【0068】
それから、先行気筒2A,2Dの吸気行程と後続気筒2B,2Cの排気行程が重なる期間に、先行気筒2A,2Dから排出された既燃ガスがガス通路22を通って後続気筒2B,2Cに導入される(図6、図7中の白抜き矢印及び図8中の矢印b)。そして、後続気筒2B,2Cでは、先行気筒2A,2Dから導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料が供給されて、理論空燃比となるように燃料噴射量が制御されつつ燃焼が行われる。
【0069】
この場合、エンジンが所定温度より高温の状態にある時には、圧縮自己着火モードが選択され、図6に示すように、後続気筒2B,2Cでは吸気行程で燃料が噴射された後、圧縮行程の上死点付近で燃焼室内が充分に高温、高圧の状態となって、圧縮自己着火が良好に行われる。
【0070】
すなわち、先行気筒2A,2Dから排出された高温の既燃ガスが短い気筒間ガス通路22を通って後続気筒2B,2Cに直ちに導入されるため、後続気筒2B,2Cでは吸気行程で燃焼室内の温度が高くなり、この状態からさらに圧縮行程で圧力、温度が上昇することにより、圧縮行程終期の上死点付近では混合気が自己着火し得る程度まで燃焼室内の温度が上昇する。しかも、上記既燃ガスは先行気筒2A,2Dから排出されて後続気筒2B,2Cに導入されるまでの間に充分にミキシングされて均一に分布し、さらに吸気行程で噴射された燃料も圧縮行程終期までの間に燃焼室全体に均一に分散するため、理想的な同時圧縮自己着火条件を満たすような均一な混合気分布状態が得られる。そして、同時圧縮自己着火により燃焼が急速に行われ、これにより熱効率が大幅に向上される。
【0071】
このように、先行気筒2A,2Dでは、リーンでの成層燃焼により熱効率が高められるとともに、成層燃焼を行わない通常のエンジンと比べて吸気負圧が小さくなることでポンピングロスが低減され、一方、後続気筒2B,2Cでは、空燃比が略理論空燃比とされつつ、均一な混合気分布状態で圧縮自己着火が行われることにより熱効率が高められるとともに、先行気筒2A,2Dから押出されたガスが送り込まれるため先行気筒2A,2Dよりもさらにポンピングロスが低減される。これらの作用により、燃費が大幅に改善される。
【0072】
しかも、後続気筒2B,2Cから排気通路20に排出されるガスは理論空燃比であるため、従来のリーンバーンエンジンのようにリーンNOx触媒を設ける必要がなく、三元触媒24だけで充分に排気浄化性能が確保される。
【0073】
そして、リーンNOx触媒を設ける必要がないことから、リーンNOx触媒のNOx吸蔵量増大時におけるNOxの放出、還元のための一時的な空燃比のリッチ化を行う必要がなく、燃費改善の目減りが避けられる。さらに、リーンNOx触媒の硫黄被毒の問題が生じることもない。
【0074】
また、先行気筒2A,2Dでは理論空燃比の略2倍もしくはそれに近いリーン空燃比とされることでNOx発生量が比較的少なく抑えられる。一方、後続気筒2B,2Cでは、先行気筒2A,2Dから既燃ガスが導入されることで多量のEGRが行われているのと同等の状態となるとともに、同時圧縮自己着火による急速燃焼が行われると可及的に酸素と窒素との反応が避けられることから、NOxの発生が充分に抑制される。このような点からもエミッションの向上に有利となる。
【0075】
また、後続気筒2B,2Cでの圧縮自己着火が先行気筒2A,2Dから排出される既燃ガスの熱を利用して達成されるため、格別の加熱手段を用いたりエンジンの圧縮比を極端に高くしたりする必要がなく、容易に圧縮自己着火を達成することができる。
【0076】
とくに、後続気筒2B,2Cでの燃焼が圧縮自己着火により行われる場合に、先行気筒2A,2Dの空燃比が、理論空燃比より大きく、かつ、強制点火とされる場合と比べて小さくされることにより、圧縮自己着火が行われ易くなり、しかも、ノッキング抑制にも有利となる。
【0077】
すなわち、このように先行気筒2A,2Dの空燃比が設定されることにより、強制点火とされる場合と比べ、先行気筒2A,2Dに対する燃料噴射量が多くなることにより、先行気筒2A,2Dでの発熱量が増加し、先行気筒2A,2Dから後続気筒2B,2Cへ導かれるガスの温度が上昇するため、比較的低速低負荷側でも圧縮自己着火が行われ易くなる。また、このように後続気筒2B,2Cに導入されるガスの温度は上昇するものの、後続気筒2B,2Cに導入されるガス中のEGRに相当する既燃ガス成分が増大するとともに、後続気筒2B,2Cに対する燃料噴射量が少なくなることによって後続気筒2B,2Cでの燃焼により発生するエネルギーが小さくなるため、比較的高速高負荷側でもノッキングが抑制される。
【0078】
とくに、特殊運転モード領域A内の低速低負荷側や高速高負荷側で、同領域Aの中速中負荷域と比べ、先行気筒2A,2Dの空燃比を小さくする(先行気筒2A,2Dに対する燃料供給量の割合を多くする)ように運転状態に応じて燃料噴射量を制御すれば、低速低負荷側での自己着火性向上及び高速高負荷側でのノッキング抑制の効果が高められる。
【0079】
また、エンジンの運転状態及び燃料のオクタン価に応じ、特殊運転モード領域Aのうちの高速、高負荷側の領域にあって、かつオクタン価が低い場合(耐ノック性の面で不利な情況にある場合)には、先行気筒2A,2Dの空燃比を小さくするように燃料噴射量を制御すれば、効果的にノッキングが抑制される。さらに、特殊運転モード領域Aのうちの低速、低負荷側の領域A1にあって、かつオクタン価が高い場合(自己着火にとって不利な情況にある場合)にも、先行気筒2A,2Dの空燃比を小さくするように燃料噴射量を制御すれば、充分に圧縮自己着火を行わせることができる。
【0080】
また、エンジンが所定温度以下の低温状態にある場合には、先行気筒2A,2Dの空燃比を小さくしても後続気筒2B,2Cに導入されるガスの温度及び後続気筒2B,2Cでの圧縮行程における温度上昇が充分に高くならずに自己着火が困難になる場合があり、また、先行気筒2A,2Dの空燃比を小さくしすぎると後続気筒2B,2Cの燃焼安定性や燃費にとって不利になる。
【0081】
そこで、このような場合には、強制点火モードとされ、図7に示すように、先行気筒2A,2Dと同様に後続気筒2B,2Cでも圧縮上死点付近で点火プラグによる点火が行われ、強制点火で確実に着火、燃焼が行われる。
【0082】
この強制点火によると、圧縮自己着火が良好に行われている場合と比べると、後続気筒2B,2Cでの燃焼効率が多少低下するが、それでも上記特殊運転モードとされている限り、先行気筒2A,2Dでの成層リーンバーン、後続気筒2B,2Cでのポンピングロス低減等による燃費改善効果は得られるとともに、後続気筒2B,2Cから排出されるガスが理論空燃比であるため三元触媒だけで充分に排気浄化性能が確保される。とくに、強制点火モードとされる場合は先行気筒2A,2Dの空燃比が理論空燃比の略2倍若しくはそれより大とされることにより、先行気筒2A,2Dでのリーンバーンによる燃費改善効果及び後続気筒2B,2Cでの燃焼安定性が確保される。
【0083】
一方、高速側ないし高負荷側の運転領域Bでは通常運転モードとされ、前述のように第1排気弁32a及び第1吸気弁31aが作動状態、第2排気弁32b及び第2吸気弁31bが停止状態とされることにより、実質的な新気及びガスの流通経路は図9に示すようになり、各気筒2A〜2Dの吸気ポート31,31a及び排気ポート12a,12が独立し、吸気通路15から各気筒2A〜2Dの吸気ポート31,31aに新気が導入されるとともに各気筒2A〜2Dの排気ポート31,31aから排気通路20に既燃ガスが排出される。そしてこの場合は、理論空燃比もしくはそれよりリッチとなるように吸入空気量及び燃料噴射量が制御されることにより、出力性能が確保される。
【0084】
なお、本発明の装置の具体的構成は上記実施形態に限定されず、種々変更可能である。他の実施形態を以下に説明する。
【0085】
▲1▼特殊運転モードのうちの圧縮自己着火モードとされるときに、上記実施形態では単に後続気筒2B,2Cに対する点火を停止しているが、後続気筒2B,2Cに対し、強制点火とする場合の点火時期よりも所定量リタードした時期にバックアップのための点火S´(図6中に破線で示す)を行わせるようにしてもよい。このバックアップのための点火S´は、圧縮上死点より後であって、圧縮上死点の近傍に設定すればよい。
【0086】
このようにすれば、圧縮自己着火モードにおいて、何らかの原因で圧縮自己着火が良好に行われないような事態が生じた場合でも、上記バックアップのための点火S´により着火燃焼が行われ、トルク変動が避けられるとともに、エミッションの悪化が防止される。
【0087】
▲2▼基本実施形態では、特殊運転モード領域Aの全体で、エンジンの温度状態に応じて高温時に圧縮自己着火、低温時に強制点火とするように制御しているが、エンジンの低速域(例えば領域A1)でのみエンジンの温度状態に応じて圧縮自己着火と強制点火とを選択し、特殊運転モード領域Aのうちで自己着火が行われ易い高速、高負荷側の領域ではエンジンの温度状態に関わらず圧縮自己着火モードとするようにしてもよい。
【0088】
▲3▼基本実施形態では弁停止機構を用いて2気筒接続状態と各気筒独立状態とに吸・排気流通状態を切換可能としているが、吸・排気通路及び気筒間ガス通路に開閉弁を設けてこれらの通路の開閉により2気筒接続状態と各気筒独立状態とに切換え得るようにしておいてもよい。
【0089】
▲4▼本発明の装置は4気筒以外の多気筒エンジンにも適用可能である。そして、例えば6気筒等では1つの気筒の排気行程と別の気筒の吸気行程が完全に重なり合うことはないが、このような場合は、一方の気筒の排気行程が他方の気筒の吸気行程より先行するとともに、両行程が部分的に重なり合う2つの気筒を先行、後続の一対の気筒とすればよい。
【0090】
【発明の効果】
以上のように本発明の制御装置によると、特殊運転モードとされた場合に、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒のうちの先行気筒ではリーン空燃比で燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して、理論空燃比で燃焼を行わせるようにしているため、先行気筒でのリーン燃焼による熱効率向上およびポンピングロス低減、ならびに後続気筒でのポンピングロス低減等により、燃費を改善することができ、しかも、後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるようにしているため、排気通路での排気ガスの浄化を三元触媒だけで充分に行うことでき、リーンNOx触媒が不要となる。
【0091】
そして、上記特殊運転モードでの制御時に後続気筒での燃焼を圧縮自己着火で行わせるか強制点火で行わせるかをエンジンの状態に応じて選択するようにしているため、圧縮自己着火が選択された場合に、後続気筒での圧縮自己着火による燃焼効率の向上により、燃費改善効果がさらに高められる。
【0092】
特に本発明では、後続気筒における燃焼のための着火が圧縮自己着火とされる場合、先行気筒の空燃比が理論空燃比よりも大きく、かつ、強制点火とされる場合と比べて小さい値となるように燃料供給量を制御しているため、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度を高めて自己着火性を向上するとともに、ノッキング抑制作用を高め、後続気筒での圧縮自己着火を良好に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による制御装置を備えたエンジン全体の概略平面図である。
【図2】エンジン本体等の概略断面図である。
【図3】制御系統のブロック図である。
【図4】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定の一例を示す説明図である。
【図5】ECUによる制御の具体例を示すフローチャートである。
【図6】特殊運転モードのうちの圧縮自己着火モードにあるときの、各気筒の排気行程、吸気行程、燃料噴射時期および点火時期等を示す図である。
【図7】特殊運転モードのうちの強制点火モードにあるときの、各気筒の排気行程、吸気行程、燃料噴射時期および点火時期等を示す図である。
【図8】特殊運転モードにあるときの実質的な新気およびガスの流通経路を示す説明図である。
【図9】通常運転モードにあるときの実質的な新気およびガスの流通経路を示す説明図である。
【符号の説明】
1 エンジン本体
2A〜2D 気筒
7 点火プラグ
8 点火回路
9 燃料噴射弁
11 吸気ポート
11a 第1吸気ポート
11b 第2吸気ポート
12 排気ポート
12a 第1排気ポート
12b 第2排気ポート
15 吸気通路
20 排気通路
22 気筒間ガス通路
35 弁停止機構
40 ECU
41 運転状態判別手段
42 温度状態判別手段
43 モード設定手段
44 弁停止機構制御手段
45 吸入空気量制御手段
46 燃料制御手段
47 着火制御手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a spark ignition type four-cycle engine, and more particularly to a device for controlling the combustion state of each cylinder in a multi-cylinder engine in order to improve fuel efficiency and emission.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a spark ignition type engine, there is known a technology for improving fuel efficiency by performing combustion in a state in which an air-fuel ratio of an air-fuel mixture in each cylinder is set to a lean air-fuel ratio larger than a stoichiometric air-fuel ratio. As disclosed in JP-A-10-274085, a fuel injection valve for directly injecting fuel into a combustion chamber is provided, and in a low-speed low-load region or the like, stratified combustion is performed by injecting fuel from the fuel injection valve in a compression stroke. It is known to perform super-lean combustion.
[0003]
In such an engine, an ordinary three-way catalyst (a catalyst having a high purification performance near the stoichiometric air-fuel ratio with respect to HC, CO and NOx) alone as an exhaust gas purification catalyst is sufficient for NOx during lean operation. Since the purification performance cannot be obtained, a lean NOx catalyst for adsorbing NOx in an oxygen-excess atmosphere and desorbing and reducing NOx in an oxygen-low concentration atmosphere is provided as shown in the above-mentioned publication. When such a lean NOx catalyst is used, if the amount of NOx adsorbed by the lean NOx catalyst increases during the lean operation, additional fuel is injected during the expansion stroke other than the main combustion, for example, as described in the above publication. As a result, the air-fuel ratio of the exhaust gas is enriched and CO is generated, thereby promoting the separation and reduction of NOx.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the engine performing the conventional lean operation as described above, the lean NOx catalyst is required to secure NOx purification performance during the lean operation, which is disadvantageous in cost. Further, in order to maintain the purification performance of the lean NOx catalyst, it is necessary to temporarily enrich the air-fuel ratio by supplying additional fuel for releasing and reducing NOx when the NOx adsorption amount increases as described above. In addition, when the fuel used contains a large amount of sulfur, it is necessary to regenerate the lean NOx catalyst by heating the catalyst and supplying a reducing material in order to eliminate the sulfur poisoning of the lean NOx catalyst. I do.
[0005]
In addition, when the air-fuel ratio becomes lean to a certain degree or more, the combustion speed becomes too slow and the combustion near the end of the combustion does not contribute to the work, so that there is a limit to the improvement in fuel efficiency by leaning in stratified combustion.
[0006]
As another method for improving fuel efficiency, compression self-ignition has been studied.This compression self-ignition is performed by raising the temperature and pressure in the combustion chamber at the end of the compression stroke to make the fuel self-ignite at the end of the compression stroke, similar to a diesel engine. Even if the air-fuel ratio is super lean or a large amount of EGR is introduced, if such compression self-ignition is performed, the entire combustion chamber will burn at once, and slow combustion that does not contribute to work will occur. Avoided, which is advantageous for improving fuel efficiency. However, in a normal spark ignition type engine (gasoline engine), forced ignition is required for combustion, and a special device for greatly increasing the temperature or pressure in the combustion chamber to perform compression self-ignition is required. Therefore, it has been difficult to increase the temperature or pressure in the combustion chamber to such an extent that compression self-ignition occurs in a partial load region where improvement in fuel consumption is required while avoiding knocking in a high load region.
[0007]
Therefore, the present applicant is in the exhaust stroke between a pair of cylinders where the exhaust stroke and the intake stroke overlap in the partial load region of the engine in order to achieve a significant fuel efficiency improvement by using the lean combustion and the compression self-ignition together. The burned gas discharged from the preceding cylinder is directly connected to the succeeding cylinder in the intake stroke via the inter-cylinder gas passage in a two-cylinder connection state, and the leading cylinder has an air-fuel ratio of lean air larger than the stoichiometric air-fuel ratio. A fuel-ignition-type engine, in which combustion is performed by forced ignition and fuel is supplied to burned gas having a lean air-fuel ratio introduced from a preceding cylinder in a succeeding cylinder and combustion is performed by compression self-ignition. We have applied for a technology relating to a control device (Japanese Patent Application No. 2002-29836).
[0008]
According to the present invention, based on such a technique, in the partial load region of the engine, in the two-cylinder connection state, lean combustion is performed in the preceding cylinder and combustion by compression self-ignition is performed in the succeeding cylinder as much as possible. The present invention provides a control device for a spark-ignition type four-stroke engine, which can improve the self-ignitability of the engine and effectively improve the fuel efficiency and emission.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to
[0010]
According to the present invention, when the combustion is performed by the compression self-ignition in the subsequent cylinder when the special operation mode is set and the subsequent cylinder is used, a fuel efficiency improvement effect is obtained in the preceding cylinder by improving thermal efficiency by lean combustion and reducing pumping loss. An improvement in fuel efficiency can be obtained by improving combustion efficiency and reducing pumping loss by compression self-ignition. Further, since the gas discharged from the subsequent cylinder to the exhaust passage has a stoichiometric air-fuel ratio, the exhaust gas can be sufficiently purified only by the three-way catalyst.
[0011]
Further, when the succeeding cylinder is set to the compression self-ignition, the fuel supply amount to the preceding cylinder is increased so that the air-fuel ratio in the preceding cylinder becomes a smaller value than the case where the subsequent cylinder is set to the forced ignition. The temperature of the gas introduced from the first cylinder to the subsequent cylinder is increased to improve the self-ignition property, and the knocking suppressing effect is enhanced by increasing the burned gas component corresponding to EGR in the gas.
[0012]
In the present invention, a means for judging the temperature state of the engine is provided, and the ignition control means controls the compression self-ignition and the forced ignition in accordance with the temperature state of the engine even in the same operation region during control in the special operation mode. It is preferable to select In this case, during the control in the special operation mode, the ignition control means performs the forced ignition when the engine temperature is lower than a predetermined temperature even after the engine is warmed up, and the compression self-ignition when the engine temperature is higher than the predetermined temperature. What is necessary is just to control so that it may become ignition.
[0013]
In this way, even if the engine temperature is relatively low even after the engine is warmed up, if the engine is in a situation where self-ignition is difficult, forced ignition is performed, and if the engine temperature becomes somewhat high, compression self-ignition is effectively performed. .
[0014]
The fuel control device further includes means for determining the octane number of the fuel, and the fuel control means controls the combustion in the subsequent cylinder during control in the high speed, high load side region of the operation region set as the special operation mode. Is performed by compression self-ignition, it is preferable to correct the fuel supply amount so that the lower the octane number, the smaller the air-fuel ratio of the preceding cylinder, according to the determination of the octane number.
[0015]
In this way, the combustion state is controlled such that the lower the octane number indicating the antiknock property of the fuel, the more the knocking due to the combustion by the compression self-ignition in the subsequent cylinder is suppressed. That is, when the air-fuel ratio of the preceding cylinder is reduced by increasing the fuel supply amount to the preceding cylinder, the temperature of the gas introduced into the succeeding cylinder increases, but the burned gas corresponding to the EGR in the gas to the succeeding cylinder increases Under the condition that the abrupt combustion in the following cylinder is alleviated by the increase in the component and the air-fuel ratio of the following cylinder is set to approximately the stoichiometric air-fuel ratio, the amount of fuel supplied to the following cylinder is increased by the amount of fuel supply to the preceding cylinder. The supply amount is reduced, the combustion energy in the subsequent cylinder is reduced, and knocking in the subsequent cylinder is suppressed by these actions. Then, the compression auto-ignition region can be expanded by the amount by which knocking is suppressed in the region on the high-speed, high-load side.
[0016]
Further, when the combustion in the subsequent cylinder is performed by compression self-ignition during control by the mode in the low speed, low load side region of the operation region that is the special operation mode, according to the determination of the octane number, It is also preferable to correct the fuel supply amount so that the higher the octane number, the smaller the air-fuel ratio of the preceding cylinder.
[0017]
In this way, the self-ignition property is improved in a situation where self-ignition is difficult. That is, in the low-speed, low-load range, the fuel supply amount is small and the heat generation amount is small, which is disadvantageous for self-ignition. Further, if the octane number of the fuel is high, the self-ignition is more disadvantageous due to the high anti-knock property. It becomes. In such a case, if the air-fuel ratio of the preceding cylinder is reduced by increasing the fuel supply amount to the preceding cylinder, the amount of heat generated in the preceding cylinder increases, and the temperature of the gas introduced into the succeeding cylinder increases. However, even under the above-mentioned circumstances that are disadvantageous to the self-ignition, the compression self-ignition is sufficiently performed.
[0018]
Further, the ignition control means may select the compression self-ignition and the forced ignition in a low-speed region of an operation region set as the special operation mode. That is, since the temperature rise in the combustion chamber during compression is essentially smaller in the low speed range than in the middle and high speed ranges, if conditions that are disadvantageous to compression self-ignition such as low engine temperature are applied in this range, , Forced ignition.
[0019]
Further, when the combustion in the subsequent cylinder is performed by forced ignition during the control in the special operation mode, the fuel control means has an air-fuel ratio of the preceding cylinder larger than twice the stoichiometric air-fuel ratio. It is preferable to control the fuel supply amount as described above. By doing so, the effect of improving fuel efficiency by lean combustion in the preceding cylinder is enhanced as compared with the case where the air-fuel ratio of the preceding cylinder is not more than twice the stoichiometric air-fuel ratio, while the temperature of the gas introduced into the succeeding cylinder is lower. However, combustion is ensured by forced ignition.
[0020]
Further, the ignition control means, when performing the compression self-ignition during the control in the special operation mode, performs backup for the subsequent cylinder at a timing retarded by a predetermined amount from the ignition timing when performing the forced ignition. It is preferable to cause ignition for In this case, the ignition timing for the backup may be set after the compression top dead center and near the compression top dead center.
[0021]
With this configuration, when the compression self-ignition is performed, even if a situation occurs in which the compression self-ignition is not properly performed for some reason, the ignition and the combustion are performed by the backup ignition. In addition, it is possible to avoid deterioration of emission and the like.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
FIG. 1 shows a schematic structure of an engine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 schematically shows a structure of one cylinder of an
[0024]
A
[0025]
A
[0026]
In addition,
[0027]
Each cylinder performs a cycle including intake, compression, expansion, and exhaust strokes with a predetermined phase difference. In the case of a four-cylinder engine, the
[0028]
Between a pair of cylinders where the exhaust stroke and the intake stroke overlap, between the cylinder on the exhaust stroke side (hereinafter referred to as a preceding cylinder in this specification) and the cylinder on the intake stroke side (this specification) when the exhaust stroke and the intake stroke overlap. In this case, an
[0029]
The intake / exhaust ports of each cylinder and the intake passage, exhaust passage and inter-cylinder gas passage connected thereto are specifically configured as follows.
[0030]
The
[0031]
In the example shown in FIG. 1, the number of
[0032]
The downstream end of the cylinder-specific
[0033]
The upstream end of a
[0034]
The
[0035]
An O-fuel ratio is detected by detecting the oxygen concentration in the exhaust gas at a collecting portion of the
[0036]
The intake / exhaust valves for opening and closing the intake / exhaust ports of each cylinder and the valve operating mechanism for these valves are as follows.
[0037]
The
[0038]
Further, among these intake / exhaust valves, for the
[0039]
A
[0040]
FIG. 3 shows the configuration of the drive and control system. In this figure, an engine control ECU (control unit) 40 including a microcomputer or the like includes an
[0041]
The
[0042]
As shown in FIG. 4, the operating state determining means 41 generates a control map in which the operating region of the engine is divided into a low-speed low-load region A (partial load region) and a high-speed or high load region B. The area A on the low speed and low load side is a special operation mode area, and the area B on the high speed or high load side is a normal operation mode area. Then, it is determined which of the regions A and B the operating state (engine speed and engine load) of the engine, which is checked by signals from the
[0043]
Further, when the operating state is in the special operation mode area A, the operating state determining means 41 determines whether the operating state is in the area A1 on the low-speed and low-load side of the area A or in the other area. Has become.
[0044]
The temperature state determination means 42 determines the temperature state of the engine based on a signal from the
[0045]
The mode setting means 43 introduces the burned gas discharged from the preceding cylinder in the exhaust stroke as it is into the subsequent cylinder in the intake stroke in the special operation mode area A based on the determination by the operating state determination means 41. The special operation mode in which combustion is performed is selected. In the normal operation mode region B, the normal operation mode in which each cylinder is independently operated and combustion is selected. Further, when the special operation mode is set, the forced ignition mode in which combustion in the subsequent cylinder is performed by forced ignition at the time of the low temperature is selected based on the determination of the temperature state of the engine by the temperature state determination means 42. A compression self-ignition mode in which combustion in the cylinder is performed by compression self-ignition is selected.
[0046]
According to the mode setting by the mode setting means 43, the valve stop mechanism control means 44 sets the two-cylinder connection state in which the burned gas of the preceding cylinder is introduced into the succeeding cylinder through the
[0047]
The intake air amount control means 45 controls the opening degree of the throttle valve 17 (throttle opening degree) by controlling the
[0048]
The fuel control means 46 controls the fuel injection amount and the injection timing from the
[0049]
That is, when the special operation mode is set, for the preceding
[0050]
On the other hand, fuel is supplied to the succeeding
[0051]
Further, in this special operation mode, the compression self-ignition mode is set while the sum of the fuel injection amounts for both the pair of cylinders is adjusted to the stoichiometric air-fuel ratio with respect to the amount of air introduced into the preceding
[0052]
Specifically, in the forced ignition mode, the fuel injection amount for the preceding
[0053]
Note that the air-fuel ratio of the preceding
[0054]
When the normal operation mode is selected, the fuel injection amount is controlled so that the air-fuel ratio of each of the
[0055]
The
[0056]
FIG. 5 is a flowchart showing the processing performed by each unit included in the
[0057]
When the process of this flowchart is started, first, various signals are input in step S1, and then, in step S2, it is determined whether or not the operation state is in the special operation mode area A.
[0058]
If it is in the special operation mode area A, the intake / exhaust valve is controlled to the special operation mode in step S3, that is, the intake / exhaust flow state becomes the two-cylinder connection state by the control of the valve
[0059]
If the determination in step S5 is YES, the forced ignition mode is selected in step S6, and the ignition timing of each of the
[0060]
If the determination in step S5 is NO, that is, if the engine is at a temperature higher than the predetermined temperature, the compression auto-ignition mode is selected in step S10, and ignition is performed so that only the preceding
[0061]
Subsequently, in step S12, it is determined whether or not it is in the area A1 of the special operation mode area A. If the determination is YES, it is determined in step S13 whether or not the octane value of the fuel is high. If the determination is NO, it is determined in step S14 whether the octane number of the fuel is low.
[0062]
Based on these determinations, if the operating state is within the region A1 and the octane number of the fuel is high, the air-fuel ratios of the preceding
[0063]
If the processing in step S15 has been performed, or if the determination in step S13 or step S14 is NO, the process proceeds to step S8 to calculate the fuel injection timing of each of the
[0064]
If the determination in step S2 is NO, that is, if the operation state is in the normal operation mode region B, the intake and exhaust valves are controlled to the normal operation mode in step S16, that is, the valve stop mechanism as described above. The control of the
[0065]
The operation of the apparatus of the present embodiment as described above will be described with reference to FIGS.
[0066]
In the special operation mode area A on the low speed and low load side, the special operation mode is set, and the
[0067]
In this state, fresh air is introduced into the preceding
[0068]
Then, during a period in which the intake strokes of the preceding
[0069]
In this case, when the engine is at a temperature higher than the predetermined temperature, the compression auto-ignition mode is selected, and as shown in FIG. 6, in the
[0070]
That is, the high-temperature burned gas discharged from the preceding
[0071]
As described above, in the preceding
[0072]
In addition, since the gas discharged from the
[0073]
Since there is no need to provide a lean NOx catalyst, there is no need to temporarily enrich the air-fuel ratio for the release and reduction of NOx when the NOx storage amount of the lean NOx catalyst increases, and the reduction in fuel efficiency is reduced. can avoid. Further, the problem of sulfur poisoning of the lean NOx catalyst does not occur.
[0074]
Further, in the preceding
[0075]
Further, since the compression self-ignition in the succeeding
[0076]
In particular, when the combustion in the following
[0077]
That is, by setting the air-fuel ratio of the preceding
[0078]
In particular, the air-fuel ratio of the preceding
[0079]
Further, depending on the operating state of the engine and the octane number of the fuel, the octane number is low in the special operation mode area A on the high-speed and high-load side (in a situation where knock resistance is disadvantageous). In (), if the fuel injection amount is controlled so as to reduce the air-fuel ratio of the preceding
[0080]
Further, when the engine is in a low temperature state below a predetermined temperature, even if the air-fuel ratio of the preceding
[0081]
Therefore, in such a case, the forced ignition mode is set, and as shown in FIG. 7, in the succeeding
[0082]
According to the forced ignition, the combustion efficiency in the
[0083]
On the other hand, in the operation region B on the high speed side or the high load side, the normal operation mode is set, the
[0084]
Note that the specific configuration of the device of the present invention is not limited to the above embodiment, but can be variously modified. Another embodiment will be described below.
[0085]
{Circle around (1)} When the compression self-ignition mode of the special operation mode is set, the ignition of the
[0086]
In this way, even in the case where the compression self-ignition is not performed well for some reason in the compression self-ignition mode, the ignition combustion is performed by the backup S ′ and the torque fluctuation is performed. Is avoided, and deterioration of emission is prevented.
[0087]
{Circle over (2)} In the basic embodiment, control is performed such that compression self-ignition is performed at high temperature and forced ignition is performed at low temperature in the entire special operation mode area A in accordance with the temperature state of the engine. Only in the region A1), the compression self-ignition and the forced ignition are selected according to the temperature condition of the engine. In the special operation mode region A, in the high-speed, high-load region where the self-ignition is easily performed, the engine temperature condition is set. Regardless, the compression auto-ignition mode may be set.
[0088]
(3) In the basic embodiment, the intake / exhaust flow state can be switched between the two-cylinder connection state and the individual cylinder independent state by using a valve stop mechanism, but open / close valves are provided in the intake / exhaust passage and the inter-cylinder gas passage. By opening and closing these passages, it may be possible to switch between the two-cylinder connection state and each cylinder independent state.
[0089]
{Circle around (4)} The device of the present invention is applicable to multi-cylinder engines other than four cylinders. For example, in the case of six cylinders, the exhaust stroke of one cylinder and the intake stroke of another cylinder do not completely overlap. In such a case, the exhaust stroke of one cylinder precedes the intake stroke of the other cylinder. At the same time, the two cylinders in which both strokes partially overlap may be a pair of preceding and succeeding cylinders.
[0090]
【The invention's effect】
As described above, according to the control device of the present invention, when the special operation mode is set, the combustion is performed at the lean air-fuel ratio in the preceding cylinder of the pair of cylinders in which the exhaust stroke and the intake stroke overlap, and in the subsequent cylinder, Since fuel is supplied to burned gas with a lean air-fuel ratio introduced from the cylinder and combustion is performed at the stoichiometric air-fuel ratio, improvement in thermal efficiency and reduction in pumping loss due to lean combustion in the preceding cylinder, and in subsequent cylinders The fuel consumption can be improved by reducing the pumping loss at the same time, and the air-fuel ratio at the time of combustion in the subsequent cylinder is substantially set to the stoichiometric air-fuel ratio. Can be sufficiently performed only with the three-way catalyst, and the lean NOx catalyst is not required.
[0091]
Then, when controlling in the special operation mode, whether to perform combustion in the subsequent cylinder by compression self-ignition or by forced ignition is selected according to the state of the engine, so that compression self-ignition is selected. In such a case, the fuel efficiency improvement effect is further enhanced by improving the combustion efficiency by the compression self-ignition in the subsequent cylinder.
[0092]
In particular, in the present invention, when the ignition for combustion in the subsequent cylinder is compression self-ignition, the air-fuel ratio of the preceding cylinder is larger than the stoichiometric air-fuel ratio and smaller than that in the case of forced ignition. The fuel supply is controlled as described above, so that the temperature of the gas introduced from the preceding cylinder to the succeeding cylinder is raised to improve the self-ignition property, and the knocking suppression action is enhanced, and the compression self-ignition in the succeeding cylinder is improved. Can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of an entire engine including a control device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of an engine body and the like.
FIG. 3 is a block diagram of a control system.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of an operation area setting for performing control according to an operation state.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a specific example of control by the ECU.
FIG. 6 is a diagram showing an exhaust stroke, an intake stroke, a fuel injection timing, an ignition timing, and the like of each cylinder when in a compression self-ignition mode of the special operation mode.
FIG. 7 is a diagram showing an exhaust stroke, an intake stroke, a fuel injection timing, an ignition timing, and the like of each cylinder when in a forced ignition mode of the special operation mode.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a substantial fresh air and gas distribution route in a special operation mode.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a substantial fresh air and gas distribution route in a normal operation mode.
[Explanation of symbols]
1 Engine body
2A-2D cylinder
7 Spark plug
8 Ignition circuit
9 Fuel injection valve
11 Intake port
11a 1st intake port
11b Second intake port
12 Exhaust port
12a First exhaust port
12b Second exhaust port
15 Intake passage
20 Exhaust passage
22 Gas passage between cylinders
35 Valve stop mechanism
40 ECU
41 Operating state determination means
42 Temperature state determination means
43 Mode setting means
44 Valve stop mechanism control means
45 Intake air amount control means
46 Fuel control means
47 Ignition control means
Claims (9)
エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出されるガスが排気通路に導かれるような2気筒接続状態としつつ、上記先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼を行わせ、上記後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して実質的に理論空燃比で燃焼を行わせるようにした制御装置であって、
上記特殊運転モードでの制御時に上記後続気筒における燃焼を圧縮自己着火で行わせるか強制点火で行わせるかをエンジンの状態に応じて選択する着火制御手段と、
上記特殊運転モードでの制御時に、上記着火制御手段による選択に応じ、上記後続気筒における燃焼を圧縮自己着火で行わせる場合は、上記先行気筒の空燃比が、理論空燃比よりも大きく、かつ、後続気筒における燃焼を強制点火で行わせる場合と比べて小さい値となるように、燃料供給量を制御する燃料制御手段とを備えたことを特徴とする火花点火式4サイクルエンジンの制御装置。In a multi-cylinder spark-ignition four-cycle engine in which the combustion cycle of each cylinder is performed with a predetermined phase difference,
The control mode for the intake / exhaust and combustion states of the engine in the partial load range of the engine is a special operation mode. In this special operation mode, exhaust is performed from a preceding cylinder in the exhaust stroke between a pair of cylinders where the exhaust stroke and the intake stroke overlap. While the burned gas is directly introduced into the succeeding cylinder in the intake stroke through the inter-cylinder gas passage, and the gas discharged from the succeeding cylinder is guided to the exhaust passage, the two-cylinder connection state is established. In this case, combustion is performed at a lean air-fuel ratio whose air-fuel ratio is greater than the stoichiometric air-fuel ratio, and in the succeeding cylinders, fuel is supplied to burned gas having a lean air-fuel ratio introduced from the preceding cylinder to burn at substantially the stoichiometric air-fuel ratio. A control device that causes
Ignition control means for selecting whether to perform combustion in the subsequent cylinder by compression self-ignition or forced ignition by control in the special operation mode in accordance with the state of the engine,
At the time of control in the special operation mode, when the combustion in the subsequent cylinder is performed by compression self-ignition according to the selection by the ignition control means, the air-fuel ratio of the preceding cylinder is larger than the stoichiometric air-fuel ratio, and A control device for a spark ignition type four-stroke engine, comprising: fuel control means for controlling a fuel supply amount such that a value of the combustion in a succeeding cylinder is reduced as compared with a case in which combustion is performed by forced ignition.
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