JP2004204745A - System and method for controlling engine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent undesired premature ignition and knocking due to high temperature of gas in a cylinder immediately after switching to two cycle operation from four cycle operation. <P>SOLUTION: When switching to premix compression self ignition two cycle operation from premix spark ignition four cycle operation is carried out, an exhaust valve 134 is opened for a long time or twice in a transition period to suck exhaust gas discharged to an exhaust port 16 once in a cylinder 142 again. Since temperature of exhaust gas discharged once and sucked in again via the exhaust valve 134 drops due to heat exchange, gas temperature in the cylinder during premix compression self ignition two cycle operation drops and undesired premature ignition and knocking do not occur. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼サイクルを4サイクルと2サイクルに切換可能な可変サイクルエンジンを制御する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、運転サイクルを4サイクルと2サイクルで切り替えて運転される可変サイクルエンジンが知られている。こうした可変サイクルエンジンは、広範なダイナミックレンジで運転されるエンジンにおいて、両サイクルの利点を充分に引き出そうとするものである。かかるエンジンは、例えば以下の特許文献1に記載されている。また、近年、運転サイクルに燃焼方式を組み合わせて、エンジンの性能を最大限に引き出そうとする技術が提案されている(下記特許文献2参照)。
【特許文献1】
特許第2742825号
【特許文献2】
特開2002−256911
【0003】
かかる技術は、予め形成した混合気をエンジンのシリンダ内に吸引してから火花点火して燃焼させる予混合燃焼方式と2サイクルおよび4サイクル運転を組み合わせ、一方、吸気行程前半に気筒内に燃料噴射を行なうことで形成された混合気を圧縮して自着火燃焼させる方式と4サイクル運転とを組み合わせて、広い運転範囲でノッキングの発生を回避しつつ、エンジンを効率良く運転しようとするものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際に4サイクル運転で予混合火花点火燃焼を行ない、所定の運転条件下で、2サイクルでは予混合圧縮自着火燃焼を行なわせると、両燃焼方式の切替時に不具合が発生しやすいという問題が見い出された。特に、4サイクル運転では、筒内のガス温度が2サイクル運転より高くなっているので、そのまま2サイクル自着火運転に移行すると、筒内ガス温度が高すぎて早期着火やノッキングが発生しやすくなってしまう。また、これに伴って、打音の発生や、エンジンのシリンダの耐久性を低下させてしまうという問題も指摘されていた。
【0005】
本発明の装置は、こうした問題を解決し、可変サイクルエンジンにおいて燃焼方式の切替をスムーズ行なうことを目的としてなされた。
【0006】
【課題を解決するための手段及びその作用・効果】
上記課題の少なくとも一部を解決する本発明のエンジン制御装置は、
燃焼サイクルを4サイクルと2サイクルに切換可能な可変サイクルエンジンを制御する装置であって、
火花点火燃焼を行なう4サイクル運転から圧縮自着火燃焼を行なう2サイクル運転に切り替えるとき、切替過渡時の筒内ガス温度を低下するガス温度低下手段を備えたことを要旨としている。
【0007】
また、このエンジン制御装置に対応したエンジン制御方法の発明は、
燃焼サイクルを4サイクルと2サイクルに切換可能な可変サイクルエンジンを制御する方法であって、
火花点火燃焼を行なう4サイクル運転から圧縮自着火燃焼を行なう2サイクル運転に切り替えるとき、切替過渡時の所定期間に亘って、筒内ガス温度を低下する処置を行なうこと
を要旨としている。
【0008】
係るエンジン制御装置およびその方法によれば、火花点火燃焼を行なう4サイクル運転から圧縮自着火燃焼を行なう2サイクル運転に切り替えるとき、切替過渡時の筒内ガス温度を低下するので、自着火が非所望な早期に生じたりノッキングを生じたりすることがない。なお、本明細書における圧縮自着火燃焼は、予め形成された混合気(予混合気)を圧縮して自着火させる燃焼方式を意味している。こうした混合気は、吸気行程において筒内に燃料噴射を行なうことによって形成しても良いし、吸気ポート等に燃料を供給することで形成しても良い。
【0009】
こうしたエンジン制御装置および方法において、筒内ガスの温度を低下する手法は種々考えられるが、例えば、エンジンに備えられた吸気弁および/または排気弁を、少なくとも排気および吸気行程の一部において開弁状態に調整可能とし、運転サイクルの切替過渡時に、吸気弁および/または排気弁を開弁状態とすることで実現することができる。排気行程および吸気行程の一部において、吸気弁,排気弁の少なくとも一方を開弁状態とすると、筒内の高温のガスは、一旦吸気または排気バルブを介して外部に出て、その後、その一部は筒内に戻ってくる。吸気バルブおよび/または排気バルブを介したガスの出入りにより、その熱量の一部は通過するバルブや吸排気管に奪われるから、筒内ガスの温度は低下する。
【0010】
この他、例えばエンジンが2サイクル運転されている際の掃気量を調整する機構を設け、これを制御することにより、運転サイクルの切替過渡時における2サイクル運転の初期において、2サイクル運転の掃気量を切替過渡時の経過後の掃気量より増加することによっても、筒内ガスの温度を低下することができる。掃気量が増加すれば、高温の筒内ガスは、それだけ置換されるからである。
【0011】
こうした掃気量の増加は、エンジンに備えられた吸気弁および/または排気弁の開弁タイミングを調整可能とし、これらの弁の開弁タイミングを制御することで実現することができる。早めにバルブを開くことで、掃気量を増加することができるからである。もとより、掃気のための予圧手段において予圧の大きさが調整可能であれば、予圧を高めることにより掃気量を増加することもできる。
【0012】
こうした掃気量を増加することで筒内ガスの温度を低下する構成では、一旦増加された2サイクル運転の掃気量を、運転サイクルの切替過渡時の経過後の所定期間に亘って漸減することで、2サイクル運転の定常的な掃気量に戻すものとしても良い。掃気量の増加は、運転サイクルの切替に伴って行なわれるので、素早く行なうことが望ましいが、掃気量の低減は、徐々に行なった方が、エンジンの出力トルクに急変を招くことがなく、好適である。
【0013】
運転サイクルの切替過渡時において筒内ガスの温度を低下する制御は、エンジンに備えられた排気弁の開弁を調整する機構を設け、切替過渡時の4サイクル運転の最後のサイクルにおいて排気弁を一旦開いて排気を実行し、切替過渡時の2サイクル運転の最初のサイクルにおいて吸気弁を開いて掃気を実行することにより実現することもできる。こうすれば、ガスの入れ替えにより筒内ガスの温度を急速に低下することができ、しかも切替過渡時に1サイクルの時間が空くことになるので、筒内ガスの温度を更に低下することができる。従って、2サイクル運転の最初のサイクルにおける早期着火を抑制できる。また、排気弁をできるだけ全開状態にすれば、ガス交換に伴うポンピングロスを低減することができ、熱効率の点からも好適である。更に、切替後の2サイクル運転においては、その最初のサイクルから通常の2サイクル運転としてのバルブの開閉が可能となるので、バルブ開閉の制御が簡略化できるという利点も得られる。この結果、バルブ制御の高速化や制御の安定性を高めることもできる。
【0014】
筒内ガス温度を低下する他の構成としては、エンジンの排気系と吸気系とを連通するEGR通路を介して、エンジンの吸気に、排気の一部を再循環して混入する機構を設け、運転サイクルの切替過渡時において、再循環して吸気に混入される排気量を増加する構成を考えることができる。再循環して吸気に混入される排気は温度が低下しているので、筒内ガスの温度を素早く低下することができる。このため、吸排気バルブの開閉弁タイミングの切替を、応答性の低い可変カム方式の動弁系を用いた場合でも、筒内ガスの温度制御を素早く行なうことができ、早期着火の発生を抑制することができる。もとより、応答性の高い電磁駆動弁系にこうしたEGR量の調整機構を組み合わせても差し支えない。
【0015】
なお、該切替過渡時に増加された排気の量は、切替過渡時経過後の所定期間に亘って漸減することで、2サイクル運転の定常的な量に戻すことが望ましい。徐々に戻していくことでトルクの大きな変化を生じることがなく、かつ所定期間に亘って筒内ガス温度を低下することによる早期着火防止の効果を享受することができるからである。
【0016】
こうしたEGR通路を介して吸気に混入される排気の量の増加に合わせて、エンジンが2サイクル運転されている際の掃気量を調整する機構を制御して、2サイクル運転の掃気量を切替過渡時の経過後の掃気量より増加するものとしても良い。こうすれば、再循環される排気量の増加による筒内ガス温度の低下に加えて、掃気量の増加による筒内ガス温度の低下という効果も得ることができる。もとより、こうした掃気量は、切替過渡時経過後の所定期間に亘って漸減することができる。この場合も、掃気量の急変によるトルク変動などが生じることがなく、かつ所定期間に亘って筒内ガス温度を低下することによる早期着火防止の効果を享受することができ、好適である。
【0017】
筒内ガス温度の上昇を防止する他の手法として、筒内の有効圧縮比の低減を採用することも可能である。有効圧縮比は、例えばピストンのストロークを可変したり、シリンダ長を可変することでも調整することができるが、簡易には、エンジンに備えられた吸気弁または排気弁の少なくとも一方の閉弁タイミングを調整可能とし、運転サイクルの切替過渡時に、吸気弁または排気弁の少なくとも一方の閉弁タイミングを遅らせることによっても実現することができる。有効圧縮比を低く制御すれば、圧縮行程での筒内ガス温度の上昇を抑え、ひいては筒内ガス温度を低くすることができる。しかも、かかる手法は応答性が極めて高いので、過渡制御性に優れるという利点が得られる。
【0018】
なお、こうした有効圧縮比の制御を運転サイクルの切替過渡時に行なった場合、遅らせた閉弁タイミングは、切替過渡時経過後の所定期間に亘って徐々に変更し、2サイクル運転の定常的な量に戻すことが望ましいのは、他の制御と同様である。
【0019】
運転サイクルの切替手法としては、切替過渡時において、4サイクル運転の膨張行程に引き続き、2サイクル運転の掃気・排気行程を行なって2サイクル運転を開始することができる。こうすれば、運転サイクルの切替に余分な期間を要しない。即ち、切替に伴うトルクの低下などを招致することがなく、切替期間の最初からスムーズにトルクを引き継ぐことができる。更に、切替後の2サイクル運転においては、その最初のサイクルから通常の2サイクル運転としてのバルブの開閉が可能となるので、バルブ開閉の制御が簡略化できるという利点も得られる。この結果、バルブ制御の高速化や制御の安定性を高めることもできる。
【0020】
かかる制御に加えて、エンジンに備えられた吸気弁および/または排気弁の開閉弁タイミングを調整する機構を設け、これを制御することで、4サイクル運転の膨張行程の終了時期を、エンジンのBDC近傍とすることができる。係る構成を採用すれば、膨張による仕事を生かして熱効率を高めることができる。また、膨張行程が長くなる結果、燃焼した筒内ガスの温度が低下され、早期着火の弊害を抑制することができる。
【0021】
あるいは、エンジンに備えられた吸気弁および/または排気弁の少なくとも閉弁タイミングを調整する機構を設け、これを制御することにより、運転サイクルの切替過渡時における2サイクル運転の最初のサイクルにおいて、吸気バルブおよび/または排気バルブの閉弁時期を遅らせて、有効圧縮比を低下するものとしてもよい。有効圧縮比の低下が、筒内ガス温度の低下に有効であることは、既に説明した通りである。
【0022】
また、エンジンに備えられた吸気弁および/または排気弁の開閉弁タイミングを調整する機構を設け、4サイクル運転の膨張行程を、2サイクル運転の膨張行程と同じ期間とし、排気バルブの次の開弁タイミングから、2サイクル運転の定常運転時のバルブ開閉タイミングとしての運転に制御を移すものとしても良い。こうすれば、切替に伴うトルクの低下などを招致することがなく、切替期間の最初からスムーズにトルクを引き継ぐことができる。更に、切替後の2サイクル運転においては、その最初のサイクルから通常の2サイクル運転としてのバルブの開閉が可能となるので、バルブ開閉の制御が簡略化できるという利点も得られる。この結果、バルブ制御の高速化や制御の安定性を高めることもできる。
【0023】
係る制御に加えて、定常運転時の2サイクル運転の初期において、吸気弁および/または排気弁の閉弁タイミングを遅らせて、有効圧縮比を低下する制御を行なうことも、前述の通り好適である。
【0024】
あるいは、エンジンに供給する燃料量、例えば燃料噴射量を調整する機構を設け、運転サイクルの切替過渡時における4サイクル運転の少なくとも最終サイクルにおいて、エンジンに供給する燃料量を増量することも差し支えない。4サイクルの最後のサイクルでは、膨張により取り出される仕事が、それ以前のサイクルより低下するが、燃料量を増加することで、切替に伴うトルクの低下を抑制することができる。この結果、スムースな切替が可能となる。
【0025】
【発明の他の態様】
本願発明は、種々の気筒数のエンジンに適用することができる。また、エンジンは自動車用に限らず、船舶や航空機などのエンジンに適用することも可能である。更に、本願発明は、上述したエンジンの制御装置のみならず、係る制御装置を搭載した移動機器(車両など)として把握することも可能である。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
(1)実施例の全体構成:
はじめに、実施例の構成について図1を用いて説明する。図1は、第1実施例のエンジン10とその制御装置であるエンジン制御用ユニット(以下、ECUという)30とを示す概略構成図である。このエンジン10は、後述するように、4サイクル運転と2サイクル運転とを切り替えて運転可能なタイプである。このガソリンエンジン10は、3つの気筒♯1ないし♯3を備える。これらの気筒は、4サイクル運転の場合には、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の4つの行程を繰り返しながら燃焼室内で混合気を燃焼させて、そのときに発生する燃焼熱を機械的仕事に変換して動力として出力する。他方、2サイクル運転される場合には、吸入・圧縮行程と、爆発・掃気行程の2つの行程を繰り返しながら、混合気を燃焼させて、動力を得ている。
【0027】
ガソリンエンジン10の燃焼室は、シリンダブロック140内に設けられた円筒形のシリンダ142と、シリンダ142内を上下に摺動するピストン144と、シリンダブロックの上部に設けられたシリンダヘッド130などによって形成されている。ピストン144は、コネクティングロッド146を介してクランクシャフト148に接続されている。ピストン144は、クランクシャフト148の回転に応じてシリンダ142内を上下に摺動する。
【0028】
この燃焼室内には、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁14と、噴射した燃料に点火するための点火プラグ136とが設けられている。また、各燃焼室には、吸入空気を取り入れるための吸気通路12と、燃焼室内で発生した燃焼ガスを排出するための排気通路16などが接続されている。以下、吸気系と排気系の構成について説明する。
【0029】
吸気通路12には、上流側から、塵埃の除去を行なうエアクリーナ20、吸入空気量Qを検出するエアフロメータ13、過給器50のコンプレッサ54、過給により上昇した吸気温度を低下するインタクーラ62、吸気量の調整を行なうスロットル弁22、吸気の脈動を緩和するサージタンク60が設けられている。また、吸気通路12には、吸気温度TAを検出する吸気温度センサ15が設けられている。ECU30からの制御を受けて電動アクチュエータ24がスロットル弁22を適切な開度に制御することで、燃焼室内に吸入される空気量が調整される。
【0030】
吸気通路12が接続されたシリンダヘッドには、上述した燃料噴射弁14の他、吸気バルブ132、排気バルブ134、点火プラグ136などが設けられている。各燃焼室に設けられた燃料噴射弁14には、図示しない燃料ポンプで高圧に加圧された燃料が供給されている。吸気バルブ132および排気バルブ134には、それぞれ電動アクチュエータ162,164が設けられており、両バルブ132,134は、通常のカム機構ではなく、電動アクチュエータ162,164で駆動されている。これら電動アクチュエータ162,164は、円盤状の電歪素子を複数枚積み重ねた構造となっている。ECU30から信号を出力して、電歪素子に印加する電圧を変更することにより、電動アクチュエータ162,164は、任意のタイミングでそれぞれの吸気バルブ132および排気バルブ134を開閉することが可能である。このため、本実施例における各気筒のバルブの開弁期間(開弁タイミングから閉弁タイミングまでの期間)は、自由に制御することができる。例えば、排気バルブ134を排気行程において開き、その後一旦閉じてから、吸気行程において短時間再度開弁するといったことも可能である。各バルブ132,134の開閉弁タイミングについては、後で詳しく説明する。
【0031】
排気通路16の下流には、過給器50の排気側タービン52を介して、触媒26が設けられている。触媒26は、排気ガスに含まれる大気汚染物質を浄化するための公知の触媒である。この他、排気通路16には、燃焼室内に形成された混合気の空気過剰率λを検出する空気過剰率センサ28や排気温度TBを検出する排気温度センサ29などが設けられている。過剰率センサ28(空燃比センサとも言う)は、排気ガスに含まれる酸素濃度を検出することにより、燃焼室内に形成された混合気の空気過剰率を検出することができる。
【0032】
ガソリンエンジン10の動作は、ECU30によって制御されている。ECU30は、CPUや、RAM、ROM、A/D変換素子、D/A変換素子などをバスで相互に接続して構成された周知のマイクロコンピュータである。ECU30は、エンジン回転速度Ne やアクセル開度θacを検出し、これらに基づいて電動アクチュエータ24を駆動して、スロットル弁22を適切な開度に制御する。エンジン回転速度Ne は、クランクシャフト148の先端に設けたクランク角センサ32によって検出することができる。アクセル開度θacは、アクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ34によって検出することができる。また、ECU30は、エアフロメータ13を用いて検出した吸入空気量Qに基づいて、燃料噴射弁14を適切なタイミングで駆動することにより、燃焼室内に適切な量の燃料を適切なタイミングで供給する。更に、排気通路16に空気過剰率センサ28が設けられていることから、空気過剰率センサ28からの出力に基づいて、燃料噴射弁14の駆動時間あるいはスロットル弁22の開度を制御することで、燃焼室内に形成する混合気の空気過剰率が適切な値となるように制御することも可能である。
【0033】
また、ECU30は、点火プラグ136に火花を形成するタイミングを制御する点火時期制御や、吸気バルブ132,排気バルブ134の開閉弁タイミングの制御も行なっている。本実施例では、予混合火花点火燃焼を行なう4サイクル運転と、予混合圧縮自着火燃焼を行なう2サイクル運転とを切り替えて、エンジン10を運転するので、ECU30は、4サイクル運転では点火時期制御も行なってる。吸排気バルブ132,134の開閉弁タイミングの制御は運転サイクルにより大きく異なる。以下、燃焼サイクルと吸排気バルブ132,134の開閉弁タイミングの制御、特に運転サイクルの切替過渡時の制御について、詳しく説明する。
【0034】
(2)運転サイクル
本実施例のガソリンエンジン10は、エンジン回転速度に応じて、2サイクル運転と4サイクル運転とを切り換える。すなわち、エンジン回転速度が比較的低い範囲では熱効率の高い2サイクル運転を行ない、エンジン回転速度の高い範囲では高速回転が容易な4サイクル運転を行なう。2サイクル運転を行なう場合と、4サイクル運転を行なう場合とでは、ピストンの動きに対するバルブの開閉時期が異なっているが、このガソリンエンジン10では、電動アクチュエータ162,164で吸気バルブ132および排気バルブ134を駆動しているので、これらバルブを開閉時期を容易に切り換えることができることは既に説明した。
【0035】
図2は、本実施例において、ECU30が、エンジン回転速度および負荷に応じて運転条件を切り換える様子を概念的に示した説明図である。図中でハッチングを付した領域が4サイクル運転を行なう領域であり、ハッチングが付されていない領域が2サイクル運転を行なう領域である。また、2サイクル運転の領域は、負荷に応じて更に4つの領域に分けられており、混合気の形成を調整しているが、以下、低負荷条件時の運転を例にして、予混合圧縮自着火燃焼による2サイクル運転について説明する。公知の4サイクル運転や2サイクルでの他の運転条件については、詳しい説明は省略する。
【0036】
図3は、ガソリンエンジン10の低負荷条件時における動作を概念的に示した説明図である。4サイクル式のガソリンエンジンとは異なり、2サイクル式のガソリンエンジンは掃気行程と呼ばれる行程を有している。更に、2サイクルエンジンは、クランクシャフト148が1回転する間に全ての行程を一巡する点でも4サイクルエンジンとは異なっている。図3(a)〜(f)には、2サイクルエンジンの膨張行程、排気行程、掃気行程(前記および後期)、吸気行程、圧縮行程のそれぞれの行程が概念的に示されている。2サイクルエンジンでは、シリンダ142内でピストン144を上下動させながら、吸気バルブ132および排気バルブ134の2つのバルブを適切なタイミングで開閉させることにより、これらの行程を次々と切り換えていく。ピストンの動きに伴う吸気バルブ132,排気バルブ134の開閉状態も、図3には、模式的に示してある。
【0037】
説明の都合上、燃焼室内の混合気を燃焼させた状態から説明する。混合気を燃焼させると、燃焼室内には高圧の燃焼ガスが発生してピストン144を押し下げようとする。図3(a)に示すように膨張行程では、ピストン144を降下させながら、燃焼室内で発生した圧力をトルクに変換して動力としてクランクシャフト148に出力する。ピストン144がある程度まで降下したら、適切なタイミングで排気バルブ134を開く。燃焼室内には、燃焼ガスが未だ高い圧力のまま閉じこめられているから、ピストン144の降下中でも、排気バルブ134を開くことにより燃焼ガスを排出させることができる(図3(b)参照)。
【0038】
続いて、適切なタイミングで吸気バルブを132開くと、過給器50によって加圧された吸気通路12内の空気が流入し、燃焼室内に残っている燃焼ガスを押し出すようにして排気バルブ134から排出させる(図3(c)参照)。図において、ハッチングが付されている部分は、燃焼ガスが残存している領域を示しており、ハッチングを付されていない部分は、吸入空気が流入した領域を表している。このように、吸入空気で押し出すようにして燃焼室内から燃焼ガスを排出させる動作は「掃気」と呼ばれる。また、掃気を行なう行程は掃気行程と呼ばれる。2サイクルエンジンでは、吸気通路内が加圧されているので、ピストン144が下死点(以下、BDCとも言う)を過ぎて上昇に転じても、なお燃焼室内の燃焼ガスを掃気することができる。図3(d)は、掃気行程の後半にピストン144を上昇させながら、燃焼室内を掃気している様子を概念的に示している。2サイクル運転では、このタイミングで燃料噴射弁14を開弁して、所定量の燃料を噴射する。この結果、筒内には混合気が形成される。
【0039】
掃気の進行と混合気の形成に伴って、図3(e)に示すように、排気バルブ134は閉じられるが、燃焼室内の圧力が吸気通路内の圧力に達するまでは、吸気バルブ132を介して吸入空気がなお流入する。燃焼室内圧力が吸気通路内の圧力に達したタイミングを見計らって、吸気バルブ132を閉じる。すると、ピストン144の上昇に伴って、燃焼室内の混合気は圧縮される(図3(f)参照)。圧縮された混合気は自着火し、爆発燃焼を起こす。こうして運転サイクルは図3(a)に戻り、再び、膨張・排気行程から運転が繰り返される。なお、本実施例のガソリンエンジン10では、2サイクル運転では、図4に示すようにピストンの下死点(BDC)前、約30°のタイミングで、吸気バルブ132を開いている。また、この実施例では、燃料噴霧の噴射期間はピストンの下死点(BDC)付近から排気バルブ134が閉じる直前までの期間、具体的には、掃気行程の下死点前20度から下死点後60度の範囲内で設定された適切な期間に設定されている。
【0040】
燃料を噴射後、所定のタイミングで排気バルブ134を閉じた後は、図3(e)に示すように、吸気バルブ132から加圧された空気が燃焼室内に流入する。排気バルブ134を閉じるタイミングEXC1は、ピストンの下死点(BDC)後、約20°〜約50°の範囲で好適に設定することができる(図4参照)。掃気行程の後半で噴射された燃料噴霧は、吸入空気の流れによって、燃焼室内に分散され、吸入空気と混合する。本実施例のエンジン10では、低負荷条件でこうして形成される混合気の空気過剰率が、約1.2〜3の値となるように、燃料噴射量が設定されている。
【0041】
そして、所定のタイミングで吸気バルブ132を閉じてやると、それ以降は、ピストンの上昇とともに燃焼室内の混合気が圧縮される。実施例のエンジン10においては、吸気バルブ132を閉じるタイミングINC1は、図4に示すようにピストンの下死点(BDC)後、約60°に設定されている。吸気バルブ132を閉じるタイミングは、代表的には約50°〜約70°の範囲で適宜設定することができる。このようなタイミングに設定することにより、混合気の実質的な圧縮比を、10〜14の範囲の所望の値とすることができる。実施例のエンジン10では、実質的な圧縮比は12に設定されている。
【0042】
適切なタイミングで吸気バルブ132を閉じた後、ピストン144を上昇していくと、図3(f)に示すように、燃焼室内で混合気が圧縮され、ピストンの上死点(以下、TDCとも言う)付近で自着火する。その結果、燃焼室内の形成された混合気は速やかに爆発燃焼する。
【0043】
(3)運転サイクル切替過渡時の制御−第1実施例−
図2に示した高回転条件下で4サイクル運転されていたエンジン10が、運転条件が変化して2サイクル運転に切り替えられる場合の制御について、以下詳しく説明する。図5および図6は、第1実施例においてECU30が行なう制御を示すフローチャートである。また、図7は、4サイクル運転から2サイクル運転に切り替える場合の行程と吸気バルブ132,排気バルブ134の開閉弁タイミングを示す説明図である。以下、これらの図面を参照しながら、過渡時制御について説明する。
【0044】
図5に示した切替過渡時制御処理ルーチンは、所定のインターバルで繰り返し実行される。このルーチンが起動されると、まず、運転サイクルの切替の要求が存在するか否かの判断を行なう(ステップS100)、要求がなければ、何も行なわずに本ルーチンをそのまま終了する。エンジン10に対する負荷条件が変化して、運転条件が、図2に示した高回転条件(図示ハッチング領域)から、低回転条件(図示ハッチングのない領域)へと変化したとき、4サイクル運転から2サイクル運転への切替の要求が生じていると判断することになる。
【0045】
この場合には、次に、サイクルの切替が可能なタイミングであるか否かの判断を行なう(ステップS110)。切替が可能なタイミングとは、4サイクル運転の一つの燃焼サイクルが完了した時点以降を意味する。運転サイクルの切替を行なおうとする一つの気筒について、既に制御が始まった4サイクル運転の排気行程が完了する以前には、運転サイクルの切替は行なえないからである。エンジンの運転は、吸気から排気までをもって燃焼サイクルと考えることができるから、4サイクル運転では、結局排気行程が完了した後の上死点(TDC)をもって4サイクルの運転が完了したと判断している。なお、本実施例の各気筒の吸気バルブ132,排気バルブ134は、共通のカムシャフトで駆動されるカムを用いておらず、電動アクチュエータ162,164を用いて個別に駆動されているので、気筒毎に自由にその動作タイミングを切り替えることができる。従って、本実施例では、4サイクル→2サイクル運転の切替は、気筒毎に行なっている。もとより、総ての気筒についての4サイクルの運転が完了するのを待ち、その後、2サイクル運転に切り替えることも差し支えない。
【0046】
切替可能なタイミングでないと判断すれば、何も行なわずに本処理ルーチンを終了する。着目している気筒が4サイクル運転の一燃焼サイクルを完全に完了していれば、次に切替期間は終了しているか否かの判断を行なう(ステップS120)。完全に2サイクル運転に移行した後は、切替過渡時の制御は必要ないからである。切替期間が完了している場合も、何も行なわずに本ルーチンを終了する。一方、4サイクル運転から2サイクル運転への切替の要求があり、かつ着目する気筒が4サイクルでの燃焼サイクルが完了して切替可能となっており、切替期間が終了していない場合には、サイクル毎のバルブタイミングの制御を行なう(ステップS130)。
【0047】
このサイクル毎のバルブタイミングの制御の詳細を、図6に示した。即ち、2サイクルでの運転への切替制御に入り、かつ2サイクル運転の開始前までの遷移期間(これを第0サイクルとも言う)、第1サイクル、第2サイクル・・・、第nサイクルで、それぞれ吸気バルブ132,排気バルブ134の開閉弁のタイミングを制御する処理を行なうのである。処理を示すフローチャートである図6およびバルブ開閉タイミングを示す説明図である図7に依拠して、以下、このバルブタイミングの制御について説明する。なお、図示の都合上、図7では、吸気バルブ、排気バルブを、それぞれ「吸気弁」「排気弁」と記載する。
【0048】
バルブタイミング制御ルーチンを起動すると、まず現在のサイクル数nが、値0であるか否かの判断を行なう(ステップS200)。図7に示したように、4サイクル運転は、排気行程が完了する上死点をもって完了するが、2サイクル運転は、吸排気が同時に進行する掃気行程と共に開始するから、2サイクル運転の一サイクルは、下死点(BDC)から次の下死点までとなっている。従って、4サイクル運転の最後の上死点(TDC)から2サイクル運転の最初の上死点(BDC)までの遷移期間(第0サイクル)では、2,4サイクル運転のいずれにも属さない制御を行なうとして、遷移期間のバルブタイミングを選択する処理を行なう(ステップS210)。このバルブタイミングは第1実施例では、図7に示したように、排気バルブ134を開弁したまま保持し、2サイクル運転の最初のサイクル(第1サイクル)に入る少し前から吸気バルブ132を開弁するものである。係るバルブタイミングを選択して、その後クランクシャフト148の回転に同期して、電動アクチュエータ162,164を制御し、吸気バルブ132,排気バルブ134を駆動する開閉弁制御を行なう(ステップS220)。
【0049】
図7に示したように、この遷移期間(第0サイクル)で、排気バルブ134を開いたままにしておくと、通常の燃焼サイクルと比べて、より多くの排気が排気バルブ134を介して排気通路16側に排出される。通常の燃焼サイクルでは、燃焼した後の燃焼ガスはすべてが排出される訳ではなく、その一部は筒内に残って、次の燃焼サイクルにおける混合気の温度を高温に保つのに利用されている。これに対して遷移期間において排気バルブ134を開いたままにしておくことにより、通常より多くの燃焼ガスが、排気バルブ134を通過して、排気通路16側に出ていくことになる。この過程で、燃焼ガスは、排気バルブ134や排気通路16などの部材に接し、その温度を低下する。遷移期間の後半では、ピストン144は、下降していくので、一旦外に出て温度の低下した燃焼ガスが、排気通路16側から、排気バルブ134を介して、燃焼室内に戻る。このため、2サイクル運転が開始される時点での筒内の残留ガスの温度は、燃焼サイクルが連続する場合と比べて低下する。
【0050】
遷移期間(n=0)において上記制御を行なって筒内ガスの温度を低下した上で、2サイクル運転が開始される。このとき、ECU30は、ステップS230の制御に移行し、現在のサイクル数nについての判別を行なう(ステップS230)。続いて、判別したサイクル数nに基づいて、第nサイクルのバルブタイミングを選択する処理を行なう(ステップS240)。続いて、サイクル数nに応じて選択したバルブタイミングで吸排気バルブ132,134を駆動することにより(ステップS220)、この実施例では、2サイクル運転が開始された直後の第1サイクルでは、排気バルブ134の開弁時間を通常のサイクルより長くし、第2サイクル、第3サイクル・・となるに従って、通常の開弁時間に徐々に近づけていく制御が実現される。即ち、4サイクル運転から2サイクル運転に切り替えられたときには、遷移期間に引き続く2サイクル運転の最初の5サイクル程度を切替過渡期間とみなして、排気バルブ134の開弁期間を徐々に短くし、排気バルブ134を介して排出・再吸引される排ガス量を徐変させるのである。この様子を、図8に示した。図において、縦軸は、排気バルブ134を介して一旦排出され、その後、再吸引される排ガス量を示しているが、後述する他の実施例では、同様に掃気量を徐変しているので、図を共通化するために、縦軸には「掃気量」も併せて示している。
【0051】
以上説明した第1実施例のエンジン10およびその制御装置によれば、点火プラグ136に形成される火花により混合気に点火して爆発燃焼を行なわせる4サイクル運転から、混合気を圧縮することで自着火による爆発燃焼を行なわせる2サイクル運転に切り替える際、排気バルブ134を通常の制御より長く開いて、燃焼ガスを排気バルブ134を介して出し入れし、筒内に残留するガスの温度を低下することができる。燃焼により高温にされた排気は、排気バルブ134や排気ポートを通過して出入りするため、排気弁や排気ポートにより熱量が奪われ、その温度は低下するからである。この結果、4サイクル運転において高温に保たれた筒内ガスの温度を2サイクル運転の開始までに低下させ、2サイクル運転において、非所望の早期着火やノッキングの発生などを未然に防止することができる。従って、切替過渡時の振動や異音の発生といった問題を招致することもなく、ドライバビリティや耐久性の点からも望ましい結果を得ることかできる。なお、吸気バルブ132についても排気行程と吸気行程で開弁時間を長くとると、排気の一部は吸気バルブ132を介して一旦吸気ポートの側に出て再度吸入されるので、同様にその温度は低下する。したがって、吸気バルブについても、同様の制御を行なって、同様の効果を奏することができる。
【0052】
しかも、この実施例では、遷移期間を利用して、大量の燃焼ガスの排出・再吸引を行なうので、筒内の残留ガスの温度を短期間のうちに急速に低下することができる。更に、その後、2サイクル運転が始まると、すぐに排気バルブ134の開弁タイミングを元に戻すのではなく、徐変期間(本実施例では第1サイクルから第5サイクル)に亘って、徐々に通常のタイミングに戻していくので、開弁時間を長くしたことによる筒内ガス温度の低下という作用・効果を所定期間に亘って確保できる上、排気バルブ134の閉弁タイミングを急変することに起因するエンジン10のトルクショックなどを生じることがない。なお、本実施例では、徐変期間は、5サイクル程度としたが、その長さは、エンジンの特性などに応じて適宜定めれば良い。また、バルブタイミングを徐々に変更するのではなく、予めいくつかのタイミングを定めておき、サイクル数nに応じて、切り替えるものとしても良い。
【0053】
(4)変形例:
次に、第1実施例の変形例について説明する。変形例では、図9に示したように、4サイクル運転から2サイクル運転への切替自体は、第1実施例と同様に行ない、筒内に残留するガスの温度を低下するメカニズムも、第1実施例と同様である。変形例では、4サイクル運転の最終サイクルおよび遷移期間での排気バルブ134の開閉弁のタイミングが異なる。図9に示したように、排気バルブ134は、4サイクル運転の最終サイクルの排気行程の途中のタイミングt1で、一旦閉弁される。燃焼ガスは、ブローダウンにより排気通路16側に排出されるのは、第1実施例と同様である。その後遷移期間において、排気バルブ134は、再び開弁され(図示、タイミングt2)、更にこれに引き続いて、吸気バルブ132が開弁される。吸気バルブ132の開弁タイミングは、通常の2サイクル運転の掃気行程に相当する開弁タイミングとなっている。二度目に排気バルブ134が開くと、すぐに吸気バルブ132も開いて掃気が開始される。この結果、2サイクル運転の開始前に掃気が充分に行なわれ、燃焼に関与していない新気が吸気通路12側から筒内に入るので、筒内のガス温度は充分に低下する。
【0054】
係る制御を行なうと、第1実施例と同様に非所望の早期着火やノッキングなどの発生を防止できる上、排気バルブ134を長期に亘って全開にすることがないので、ガス交換に伴う無駄なポンプ損失を生じることがない。この結果、熱効率の過度の低下、ひいては燃費の悪化を招くことがなく、全体として熱効率を高くすることができる。また、2サイクル運転の第1サイクルから、通常のバルブ開閉タイミングで制御することができるので、バルブ制御の安定を高めることができる。なお、掃気を充分に行なって筒内ガス温度を低下する制御は、2サイクル運転が開始されてからしばらく継続することも好適である。図8を用いて説明したように、掃気量の制御も、徐変期間を設けて徐々に通常の2サイクル運転の掃気量に近づけていくことができる。本実施例および変形例では、吸排気バルブ132,134の駆動に電動アクチュエータを用いているので、図9に示した間欠的なバルブ開閉を容易に実現することができる。もとより、4サイクル運転用のカムシャフトおよび駆動用カムと、2サイクル運転用のカムシャフトおよび駆動用カムを用意しておき、これを切り替える構成を用いてれば、図9に示した程度の制御は容易に実現することができる。
【0055】
(5)第2実施例における切替過渡時の制御:
次に、本発明の第2実施例について説明する。図10は、第2実施例のガソリンエンジン100の概略構成図である。このエンジン100は、第1実施例とほぼ同様の構成を備えるが、更に排気通路16から吸気通路12に排気ガスを再循環させる外部EGR機構を備える点で第1実施例と異なっている。この排気ガスの再循環機構は、排気通路16から吸気通路12に至る再循環通路170と、再循環するガス量を調整するEGR量調整用バルブ172とから構成されている。説明の都合上、図10において、係る再循環機構以外の部材は、図1と同一の符号を付した。EGR量調整用バルブ172は、ECU30に接続されており、その開度を調整することにより、排気通路16から吸気通路12に循環する排気量を制御することができる。第1実施例で説明した燃焼ガスが一旦排気通路16に排出された後、排気バルブ134を介して再度筒内に戻ることも、EGRの一種と考えられるので、EGR量調整用バルブ172を介して排気通路16から吸気通路12に排気ガスを戻す構成との区別が必要な場合には、後者を、外部EGRと呼ぶものとする。
【0056】
第2実施例では、ECU30は、第1実施例とほぼ同様の制御を行なうが、バルブタイミング制御ルーチンについて、図5に示した処理に代えて、図11に示す処理を実行する。なお、図11に示した処理のうち、下2桁が図5の処理と同一のものは、処理内容も同一である。即ち、第2実施例では、ステップS315とステップS345が加わった点が、第1実施例の制御と異なる。
【0057】
第2実施例のバルブタイミング制御ルーチンでは、4サイクル運転から2サイクル運転への切替が開始されると、その遷移期間(n=0)では、遷移期間に独自のバルブタイミングで排気バルブ134を開弁し、吸気バルブ132を開弁する(ステップS300→S310)。バルブの切替タイミングを選択した後、第2実施例では、遷移期間のEGR量の調整を行なう(ステップS315)。同様に、2サイクル運転が開始されてから、第1サイクル,第2サイクル・・・では、サイクル数nを判別して第nサイクルのバルブタイミングを選択した後(ステップS330→S340)、第nサイクルのEGR量の設定を行なう(ステップS345)。バルブタイミングとEGR量の制御の一例を、図12に示した。図示するように、この実施例では、EGR量は、遷移期間で最大とし、その後、サイクルを追うに連れて、段階的に低減される。この結果、4サイクル運転から2サイクル運転への切替過渡時においては、外部EGR量が調整されることになる。なお、バルブの開閉タイミングは、図9に示したタイミングと同一としても良いし、排気バルブ134は通常の開閉弁タイミングとし、筒内に残留する燃焼ガスを、排気バルブ134を介して戻すという制御を行なわないものとしてもよい。
【0058】
第2実施例における外部EGR量は、4サイクル運転時と比べて、切替過渡時において増加される。再循環通路170を介して吸気系に循環し、筒内に吸入される排気ガスの温度は、かなり低下しているから、第2実施例に拠れば、運転サイクルの切替過渡時に、筒内のガス温度を急速に低下することができる。この結果、2サイクル運転に切り替えた直後に非所望の早期着火やノッキングを生じることがない。このため、打音の発生や耐久性の低下と言った問題を招致することがない。
【0059】
なお、第2実施例においても、外部EGRは、切替過渡時の数サイクルに亘って行なうことができるが、外部EGRを加えるこの期間は、エンジン10の特性などに応じて適宜定めればよい。また、第1実施例と同様、外部EGR量を徐々に変更したり、数段階に亘って切り替えたりすることも好適である。本実施例では、バルブタイミングの切替も併せて行なったが(ステップS310,S340)、バルブタイミングの制御は行なわず、外部EGR量のみで、筒内のガス温度を低下させてもよい。この場合には、運転サイクルの切替に伴うバルブタイミングの制御が不要となるという利点が得られる。また、電動アクチュエータ162,164に代えて、応答性のさほど高くない動弁系のシステムを用いてバルブタイミングの切替を行なう場合でも、外部EGRにより筒内のガス温度を早期に低下できるという利点も得られる。
【0060】
次に、上記実施例の変形例について説明する。この変形例では、第1実施例または第2実施例と同一のハードウェア構成・制御を行なった上で、更に2サイクル運転に切り替えられた最初の数サイクルにおいて、吸気バルブ132,排気バルブ134の少なくとも一方の閉弁タイミングを遅め、ピストン144により混合気の圧縮の程度を低くして有効圧縮率を低下する制御を行なっている。即ち、図4に示した通常の2サイクルの開閉弁タイミングに対して、図13に示すように、吸気バルブ132の閉弁タイミングINC2を角度θiまで遅らせ、あるいは排気バルブ134の閉弁タイミングEXC2を角度θoまで遅らせる制御を行なっている。
【0061】
この結果、筒内の混合気の有効圧縮率は、自着火が可能な範囲で低下され、その温度上昇は抑制され、結果的に筒内ガス温度の過度の上昇による非所望の早期着火やノッキングの発生といった問題を生じることがない。吸排気バルブ132,134の閉弁タイミングを遅らせることによる有効圧縮率の制御は、他の制御と同様、2サイクル運転が開始された後、徐々に通常のバルブタイミングまで変更していっても良い。こうした徐変制御を行なえば、トルクショックなどを生じることなくエンジン10の運転状態を、2サイクル運転の通常制御に切り替えることができ、好適である。なお、この制御は単独で行なっても良いが、切替過渡時の排気バルブ134を介した燃焼ガスの排出と再吸入や切替過渡時の外部EGR量の制御などと併せて行なえば、更に筒内ガス温度の低下に資することは勿論である。有効圧縮率を低下する制御は、この変形例では、吸排気バルブの閉弁タイミングを調整して実現したが、機械的な圧縮率可変機構を有するエンジンであれば、その機構を制御して実現しても良い。こうした機械的な圧縮率可変機構としては、ピストン144とクランクシャフト148とを連結するコネクティングロッド146を複数の部材に分割し、途中に正味の長さを可変する機構を有する中折れロッド方式や、クランクピンを偏心させてストロークを可変するタイプ、シリンダが揺動または移動して圧縮比を可変する機構など、種々の構成が知られている。
【0062】
(6)第3実施例の制御:
次に、本発明の第3実施例について説明する。第3実施例では、ハードウェア構成は、第1または第2実施例と同様であるが、4サイクル運転から2サイクル運転への切替過渡時に第1または第2実施例とは異なり、遷移期間に相当する期間を設けることなく切替を行なう。即ち、図5に示した切替過渡時処理ルーチンにおいて、「切替可能なタイミングか?」という判断(ステップS110)において、第1,第2実施例では、4サイクル運転の最後のTDCまで待ち、その後遷移期間(n=0)を経てから2サイクル運転に移行したのに対して、この実施例では、4サイクル運転の最後のBDCをもって、「2サイクル運転への切替可能」と判断し、かつ遷移期間を経ることなく、2サイクル運転を開始している。この様子を図14に示した。
【0063】
従って、第3実施例では、バルブタイミング制御ルーチン(図6,図11)において、サイクル数nが値0であるか否かの判断や、n=0である場合の処理(ステップS210,S310,S315)などは存在しない。4サイクル運転の最終サイクルの最後のBDCから、2サイクル運転の第1サイクルが始まっているとみなし、以後、2サイクル運転の第nサイクル(n=1,2,・・・)かによって、バルブタイミングを変更する。4サイクル運転の最終サイクル(つまり、2サイクル運転の第1サイクル)では、特に排気バルブ134を開弁するタイミングをBDC付近まで遅らせる。この結果、4サイクル運転の最終サイクルでは、エンジン10は、膨張による仕事を最後まですることになり、エネルギは仕事して取り出され、筒内ガスの温度は充分に低下する。この結果、2サイクル運とが開始された時点の筒内のガス温度の過度の上昇を防いで、非所望な早期着火やノッキングの発生を抑制することができる。4サイクル運転の最終サイクルで、膨張行程を充分に取っていることから、エンジン10の熱効率を高くすることも可能である。更に、本実施例によれば、4サイクル運転の最終サイクルから2サイクル運転の第1サイクルまでに、燃焼サイクルに関与しない遷移期間を設ける必要がないので、エンジントルクの一時的な落ち込みと言った問題を生じることもない。また、特に遷移期間を設けることなく直ちに2サイクル運転の制御を開始するので、吸排気バルブ132,134のバルブタイミングの制御を簡素なものとすることができ、バルブ開閉弁制御を簡略にでき、バルブ制御を安定に行なうことができる。また、バルブ制御の周期を短くすることもできる。
【0064】
更に、2サイクル運転の第1サイクルでは、吸排気バルブ132,134の閉弁時期を遅らせて有効圧縮率を低くすれば、筒内ガスの温度を一層効率的に引き下げることができる。また第1実施例の変形例として説明した掃気量の増加による筒内ガス温度の低下や、第2実施例で説明した外部EGR量の増加による筒内ガス温度の低下といった制御、あるいは第2実施例の変形例として説明した有効圧縮率を低くする処理などを、上記第3実施例の制御に組み合わせることも容易である。こうすれば、筒内ガスの温度を一層低下することができる。
【0065】
(7)第3実施例の変形例:
次に上記第3実施例の変形例について説明する。この変形例では、図15に示すように、4サイクル運転の最終サイクルのBDCから2サイクル運転の最初のサイクルを開始する点で、第3実施例と同様である。この変形例では、4サイクル運転の最終サイクルにおける排気バルブ134の閉弁タイミングが第3実施例より早くなっており、膨張行程が2サイクル運転の場合とほぼ同じ期間とされている。即ち、排気バルブ134は、BDCのかなり前に開弁する。一方、次の排気バルブ134の開弁タイミングは、通常の2サイクル運転のタイミングとしている。
【0066】
この変形例では、バルブの開閉弁タイミングが更にシンプルなものになり、制御が簡単で安定性を高めることができる。なお、筒内ガス温度を低下する制御は、上述したいくつかの実施例の手法を組み合わせればよい。例えば、掃気・圧縮行程における吸排気バルブ132,134の閉弁タイミングを遅らせて、有効圧縮率を低くすることにより、筒内ガス温度を低下すればよい。あるいは、外部EGR量を増加しても良い(図11参照)。また、4サイクル運転の最終サイクルにおける膨張行程の仕事を、第3実施例より小さなものとしたことにより、エンジン10からの出力トルクは見かけ上低下するから、これを補償するように、最終サイクルにおける燃料噴射量を増量補正することも、エンジン10のトルク変動を押さえる上で有用である。図16に、最終サイクルで燃料を増量補正する場合の処理の一例を記載した。ECU30は、運転サイクルの切替要求があると(ステップS400)、燃料噴射が既に行なわれているか否かを判断し(ステップS401)、行なわれていなければ、そのサイクルmの燃料噴射量Tmを係数Kv(Kv>1)だけ増量補正する処理を行なう(ステップS402)。他方、既にそのサイクルの燃料噴射が行なわれていれば、燃料噴射量の補正は行なわない。その後、運転サイクルの切替が可能か否かを判別(ステップS410)するが、以後の処理は、図5に示した第1実施例と基本的に同じなので、説明は省略する。
【0067】
上記の各実施例では、吸排気バルブは、電動アクチュエータにより駆動するものとしたが、カムを用いて、クランクシャフトの回転を利用して開閉することも可能である。この場合、4サイクル運転と2サイクル運転とでは、弁の開閉タイミングが大きく異なることから、吸排気バルブの開閉弁タイミングを自由に調整することができる機構が必要になる。こうした動弁系については、種々の機構が知られているので、詳細な説明は省略するが、2サイクル運転と4サイクル運転とでは、クランクシャフト148の一回転に対する弁の動きが大きく異なることから、それぞれ専用のカムシャフトを用意しておき、運転サイクルの切替に伴ってこのカムシャフトを切り替えるものとしてもよい。こうした動弁系の切替機構は公知のものである。また、動作中のカムシャフトにおいて、吸排気バルブの開弁タイミングおよび閉弁タイミングを自由を制御する機構は、バルブ駆動用のカムによるバルブリフト量を可変して開弁期間を制御する機構と、この駆動用カムのクランクシャフト148の回転に対する位相を可変する機構とを組み合わせることで変更する機構とから構成することができる。吸気バルブ132および排気バルブ134のリフト量とクランクシャフトに対する位相とを調整することにより、結果的に、各弁の開弁タイミングと閉弁タイミングの両者を自由に制御することができるのである。バルブリフト量の調整は、カムプロファイルをトレースする部材と吸排気バルブとを接続する部材の長さを可変する機構を設けることで簡易に実現することができる。
【0068】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、更に種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例では、3気筒エンジンを例にしたが、3気筒以外のエンジン、例えば4気筒、5気筒、6気筒、8気筒、12気筒など、気筒数の異なるエンジンに適用することができる。また、運転サイクルを2サイクル運転に切り替えた時点の筒内ガス温度を低下する他の構成として、例えばインタクーラによる吸気温度の一時的な低下や、半導体素子を用いたシリンダブロックの冷却など、その他の手法を採用できることは勿論である。こうした筒内ガス温度の低下方法としては、温度の低い(あるいは低下させた)ガス(外部EGRや新気など)を導入する手法、排ガスの温度自体を下げる方法、シリンダブロックの温度を急速に低下して結果的に筒内ガス温度を低下する方法、など種々の手法を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例としてのエンジン10およびその制御装置の概略構成図である。
【図2】エンジンの回転数および負荷と運転サイクルとの関係を示す説明図である。
【図3】2サイクル運転の行程について説明する説明図である。
【図4】2サイクル運転における吸排気バルブの開閉弁タイミングを示す説明図である。
【図5】切替過渡時処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図6】切替過渡時におけるバルブタイミング制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図7】第1実施例における運転サイクルの切替時のバルブタイミングを示す説明図である。
【図8】再吸引排気ガス量や掃気量の徐変の様子を示す説明図である。
【図9】第1実施例の変形例における運転サイクルの切替時のバルブタイミングを示す説明図である。
【図10】第2実施例のエンジン100とその制御装置の概略構成図である。
【図11】第2実施例におけるバルブタイミング制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図12】第2実施例における運転サイクルの切替時のバルブタイミングを示す説明図である。
【図13】第2実施例の変形例における吸排気バルブの開閉弁タイミングを示す説明図である。
【図14】第3実施例における運転サイクルの切替時のバルブタイミングを示す説明図である。
【図15】第3実施例の変形例における運転サイクルの切替時のバルブタイミングを示す説明図である。
【図16】第3実施例の変形例における切替過渡時処理ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
10…ガソリンエンジン
12…吸気通路
13…エアフロメータ
14…燃料噴射弁
15…吸気温度センサ
16…排気通路
20…エアクリーナ
22…スロットル弁
24…電動アクチュエータ
26…触媒
28…空気過剰率センサ
29…排気温度センサ
30…ECU
32…クランク角センサ
34…アクセル開度センサ
50…過給器
52…排気側タービン
54…コンプレッサ
60…サージタンク
62…インタクーラ
100…ガソリンエンジン
130…シリンダヘッド
132…吸気バルブ
134…排気バルブ
136…点火プラグ
140…シリンダブロック
142…シリンダ
144…ピストン
146…コネクティングロッド
148…クランクシャフト
148…クランクシャフト
162,164…電動アクチュエータ
170…再循環通路
172…EGR量調整用バルブ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for controlling a variable cycle engine capable of switching a combustion cycle between four cycles and two cycles.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a variable cycle engine that is operated by switching the operation cycle between four cycles and two cycles. Such variable cycle engines seek to fully exploit the benefits of both cycles in engines that operate over a wide dynamic range. Such an engine is described, for example, in Patent Document 1 below. In recent years, there has been proposed a technique for maximizing engine performance by combining a combustion method with an operation cycle (see Patent Document 2 below).
[Patent Document 1]
Patent No. 2742825
[Patent Document 2]
JP-A-2002-256911
[0003]
This technique combines a two-cycle and four-cycle operation with a premixed combustion system in which a pre-formed air-fuel mixture is drawn into a cylinder of an engine and then ignited by spark ignition, while fuel is injected into a cylinder in the first half of an intake stroke. The present invention is intended to efficiently operate the engine while avoiding the occurrence of knocking in a wide operating range by combining the method of compressing the air-fuel mixture formed by performing the combustion and performing the self-ignition combustion with the four-cycle operation. .
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the premixed spark ignition combustion is actually performed in the four-cycle operation and the premixed compression ignition combustion is performed in the two cycles under the predetermined operation conditions, a problem is likely to occur when switching between the two combustion methods. Was found. In particular, in the four-cycle operation, the gas temperature in the cylinder is higher than that in the two-cycle operation. Therefore, if the operation shifts to the two-cycle self-ignition operation as it is, the gas temperature in the cylinder is too high, and early ignition and knocking are likely to occur. Would. Along with this, problems have been pointed out, such as generation of a tapping sound and reduction in durability of an engine cylinder.
[0005]
The device of the present invention has been made to solve these problems and to smoothly switch the combustion method in a variable cycle engine.
[0006]
[Means for Solving the Problems and Their Functions and Effects]
An engine control device of the present invention that solves at least a part of the above-described problems,
An apparatus for controlling a variable cycle engine capable of switching a combustion cycle between four cycles and two cycles,
When switching from the four-cycle operation in which spark ignition combustion is performed to the two-cycle operation in which compression ignition combustion is performed, the gist of the present invention is to provide a gas temperature lowering means for lowering the in-cylinder gas temperature at the time of switching transition.
[0007]
In addition, the invention of an engine control method corresponding to this engine control device,
A method for controlling a variable cycle engine capable of switching a combustion cycle between four cycles and two cycles,
When switching from the four-cycle operation in which spark ignition combustion is performed to the two-cycle operation in which compression ignition combustion is performed, a measure is taken to lower the in-cylinder gas temperature for a predetermined period during the switching transition.
The gist is.
[0008]
According to such an engine control device and its method, when switching from the four-cycle operation in which spark ignition combustion is performed to the two-cycle operation in which compression self-ignition combustion is performed, the in-cylinder gas temperature during the switching transition is reduced. It does not occur as early as desired or knock. It should be noted that the compression ignition combustion in the present specification means a combustion method in which a mixture (a premix) formed in advance is compressed and self-ignited. Such an air-fuel mixture may be formed by injecting fuel into a cylinder during an intake stroke, or may be formed by supplying fuel to an intake port or the like.
[0009]
In such an engine control device and method, various methods for lowering the temperature of the in-cylinder gas are conceivable. For example, an intake valve and / or an exhaust valve provided in the engine is opened at least in a part of the exhaust and intake strokes. It can be realized by making the state adjustable and setting the intake valve and / or the exhaust valve to the open state when the operation cycle is switched. When at least one of the intake valve and the exhaust valve is opened in a part of the exhaust stroke and the intake stroke, the high-temperature gas in the cylinder temporarily goes outside via the intake or exhaust valve, and thereafter, one of the high-temperature gas flows out of the cylinder. The part returns inside the cylinder. When the gas enters and exits through the intake valve and / or the exhaust valve, a part of the heat amount is taken by the passing valve and the intake and exhaust pipes, so that the temperature of the in-cylinder gas decreases.
[0010]
In addition, for example, by providing a mechanism for adjusting the scavenging amount when the engine is operated in two cycles, and controlling the scavenging amount, the scavenging amount of the two-cycle operation can be controlled in the initial stage of the two-cycle operation when the operation cycle is switched. Is increased from the scavenging amount after the elapse of the switching transition, the temperature of the in-cylinder gas can be reduced. This is because the higher the scavenging amount, the higher the temperature of the in-cylinder gas is replaced.
[0011]
Such an increase in the scavenging amount can be realized by adjusting the valve opening timing of the intake valve and / or the exhaust valve provided in the engine and controlling the valve opening timing of these valves. This is because the scavenging amount can be increased by opening the valve early. Of course, if the magnitude of the preload can be adjusted in the preload means for scavenging, the scavenging amount can be increased by increasing the preload.
[0012]
In the configuration in which the temperature of the in-cylinder gas is decreased by increasing the scavenging amount, the scavenging amount of the two-cycle operation that has been increased is gradually reduced over a predetermined period after the transition of the operation cycle. Alternatively, the scavenging amount may be returned to the steady scavenging amount of the two-cycle operation. Since the increase in the scavenging amount is performed in accordance with the switching of the operation cycle, it is desirable that the scavenging amount be increased quickly. However, it is preferable that the scavenging amount be reduced gradually without causing a sudden change in the output torque of the engine. It is.
[0013]
The control for lowering the temperature of the in-cylinder gas during the transition of the operation cycle is provided with a mechanism for adjusting the opening of the exhaust valve provided in the engine, and the exhaust valve is operated in the last cycle of the four-cycle operation during the transition of the operation. It can also be realized by once opening and performing exhaust, and then performing scavenging by opening the intake valve in the first cycle of the two-cycle operation at the time of switching transition. In this case, the temperature of the in-cylinder gas can be rapidly reduced by replacing the gas, and one cycle time is emptied at the time of switching transition, so that the temperature of the in-cylinder gas can be further reduced. Therefore, early ignition in the first cycle of the two-cycle operation can be suppressed. Further, if the exhaust valve is opened as much as possible, pumping loss accompanying gas exchange can be reduced, which is preferable from the viewpoint of thermal efficiency. Further, in the two-cycle operation after the switching, the valve can be opened and closed as a normal two-cycle operation from the first cycle, so that there is an advantage that control of valve opening and closing can be simplified. As a result, the valve control can be speeded up and the control stability can be improved.
[0014]
As another configuration for lowering the in-cylinder gas temperature, a mechanism is provided that recirculates a part of the exhaust gas into the intake air of the engine via an EGR passage communicating the exhaust system and the intake system of the engine, It is possible to consider a configuration in which the amount of exhaust gas that is recirculated and mixed into the intake air is increased during the transition of the operation cycle. Since the temperature of the exhaust gas that is recirculated and mixed into the intake air has decreased, the temperature of the in-cylinder gas can be quickly decreased. For this reason, even when switching the opening / closing valve timing of the intake / exhaust valves using a variable cam type valve system with low responsiveness, it is possible to quickly control the temperature of the in-cylinder gas and suppress the occurrence of early ignition. can do. Of course, such an EGR amount adjustment mechanism may be combined with a highly responsive electromagnetically driven valve system.
[0015]
It is desirable that the amount of exhaust gas increased at the time of the switching transition is gradually reduced over a predetermined period after the lapse of the switching transition to return to the steady amount of the two-cycle operation. By gradually returning the torque, a large change in torque does not occur, and the effect of preventing early ignition by lowering the in-cylinder gas temperature for a predetermined period can be enjoyed.
[0016]
In accordance with the increase in the amount of exhaust gas mixed into the intake air through the EGR passage, the mechanism for adjusting the scavenging amount when the engine is operated for two cycles is controlled to switch the scavenging amount for two-cycle operation. The scavenging amount after the passage of time may be increased. In this way, in addition to the decrease in the in-cylinder gas temperature due to an increase in the amount of exhaust gas to be recirculated, the effect of a decrease in the in-cylinder gas temperature due to an increase in the scavenging amount can be obtained. Of course, such a scavenging amount can be gradually reduced over a predetermined period after the elapse of the switching transition time. Also in this case, the effect of preventing early ignition by lowering the in-cylinder gas temperature for a predetermined period without the occurrence of torque fluctuation due to a sudden change in the scavenging amount can be enjoyed.
[0017]
As another method for preventing an increase in the in-cylinder gas temperature, it is possible to employ a reduction in the effective compression ratio in the cylinder. The effective compression ratio can be adjusted by, for example, changing the stroke of the piston or changing the cylinder length.However, simply, the closing timing of at least one of the intake valve or the exhaust valve provided in the engine is determined. It can also be realized by making the adjustment possible and delaying the closing timing of at least one of the intake valve and the exhaust valve at the time of transition of the operation cycle. If the effective compression ratio is controlled to be low, it is possible to suppress an increase in the in-cylinder gas temperature during the compression stroke, and to lower the in-cylinder gas temperature. Moreover, such a method has an extremely high responsiveness, and thus has an advantage of being excellent in transient controllability.
[0018]
When such control of the effective compression ratio is performed during the transition of the operating cycle, the delayed valve closing timing is gradually changed over a predetermined period after the transition of the switching, and the steady-state amount of the two-cycle operation is changed. It is desirable to return to the same as in other controls.
[0019]
As a switching method of the operation cycle, in the transition transition, the two-cycle operation can be started by performing the scavenging / exhaust stroke of the two-cycle operation following the expansion stroke of the four-cycle operation. In this way, no extra period is required to switch the operation cycle. That is, the torque can be smoothly taken over from the beginning of the switching period without causing a decrease in torque due to the switching. Further, in the two-cycle operation after the switching, the valve can be opened and closed as a normal two-cycle operation from the first cycle, so that there is an advantage that control of valve opening and closing can be simplified. As a result, the valve control can be speeded up and the control stability can be improved.
[0020]
In addition to this control, a mechanism for adjusting the opening and closing timing of the intake valve and / or the exhaust valve provided in the engine is provided, and by controlling this, the end timing of the expansion stroke of the four-cycle operation can be determined by the BDC of the engine. It can be near. If such a configuration is employed, the thermal efficiency can be improved by utilizing the work by expansion. Further, as a result of the expansion stroke being lengthened, the temperature of the burned in-cylinder gas is reduced, and the adverse effect of early ignition can be suppressed.
[0021]
Alternatively, a mechanism for adjusting at least the closing timing of the intake valve and / or the exhaust valve provided in the engine is provided, and by controlling the mechanism, the intake air in the first cycle of the two-cycle operation during the transition of the operation cycle is switched. The effective compression ratio may be reduced by delaying the closing timing of the valve and / or the exhaust valve. As described above, the reduction in the effective compression ratio is effective in reducing the in-cylinder gas temperature.
[0022]
Further, a mechanism for adjusting the opening / closing timing of the intake valve and / or the exhaust valve provided in the engine is provided, and the expansion stroke of the four-cycle operation is set to the same period as the expansion stroke of the two-cycle operation, and the next opening of the exhaust valve is performed. The control may be shifted from the valve timing to the operation as the valve opening / closing timing during the steady operation of the two-cycle operation. In this way, the torque can be smoothly taken over from the beginning of the switching period without causing a decrease in torque due to the switching. Further, in the two-cycle operation after the switching, the valve can be opened and closed as a normal two-cycle operation from the first cycle, so that there is an advantage that control of valve opening and closing can be simplified. As a result, the valve control can be speeded up and the control stability can be improved.
[0023]
In addition to the above control, it is also preferable to perform control to delay the closing timing of the intake valve and / or the exhaust valve to lower the effective compression ratio at the beginning of the two-cycle operation in the steady operation, as described above. .
[0024]
Alternatively, a mechanism for adjusting the amount of fuel supplied to the engine, for example, the amount of fuel injection, may be provided, and the amount of fuel supplied to the engine may be increased in at least the last cycle of the four-cycle operation at the time of transition of the operation cycle. In the last cycle of the four cycles, the work extracted by the expansion is lower than that of the previous cycle, but the increase in the amount of fuel can suppress the reduction in torque accompanying the switching. As a result, smooth switching becomes possible.
[0025]
Other aspects of the invention
The present invention can be applied to engines having various numbers of cylinders. Further, the engine is not limited to an automobile, and can be applied to an engine for a ship, an aircraft, or the like. Further, the present invention can be understood as not only the above-described engine control device but also a mobile device (vehicle or the like) equipped with such a control device.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
(1) Overall configuration of the embodiment:
First, the configuration of the embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an engine 10 according to a first embodiment and an engine control unit (hereinafter, referred to as an ECU) 30 as a control device thereof. The engine 10 is of a type that can be operated by switching between four-cycle operation and two-cycle operation, as described later. This gasoline engine 10 has three cylinders # 1 to # 3. In the case of four-cycle operation, these cylinders burn a mixture in a combustion chamber while repeating four strokes of an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke. It converts it into a work and outputs it as power. On the other hand, when the two-cycle operation is performed, the air-fuel mixture is burned while repeating the two strokes of the suction / compression stroke and the explosion / scavenging stroke to obtain power.
[0027]
The combustion chamber of the gasoline engine 10 is formed by a cylindrical cylinder 142 provided in a cylinder block 140, a piston 144 sliding up and down in the cylinder 142, a cylinder head 130 provided on an upper portion of the cylinder block, and the like. Have been. Piston 144 is connected to crankshaft 148 via connecting rod 146. The piston 144 slides up and down in the cylinder 142 in accordance with the rotation of the crankshaft 148.
[0028]
A fuel injection valve 14 for injecting fuel into the combustion chamber and an ignition plug 136 for igniting the injected fuel are provided in the combustion chamber. Further, each combustion chamber is connected to an intake passage 12 for taking in intake air, an exhaust passage 16 for discharging combustion gas generated in the combustion chamber, and the like. Hereinafter, the configurations of the intake system and the exhaust system will be described.
[0029]
In the intake passage 12, an air cleaner 20 for removing dust, an air flow meter 13 for detecting an intake air amount Q, a compressor 54 of a supercharger 50, an intercooler 62 for reducing intake air temperature increased by supercharging, A throttle valve 22 for adjusting the amount of intake air and a surge tank 60 for reducing pulsation of intake air are provided. The intake passage 12 is provided with an intake air temperature sensor 15 for detecting an intake air temperature TA. The electric actuator 24 controls the throttle valve 22 to an appropriate opening degree under the control of the ECU 30, whereby the amount of air taken into the combustion chamber is adjusted.
[0030]
The cylinder head to which the intake passage 12 is connected is provided with an intake valve 132, an exhaust valve 134, a spark plug 136, and the like, in addition to the fuel injection valve 14 described above. Fuel pressurized to a high pressure by a fuel pump (not shown) is supplied to a fuel injection valve 14 provided in each combustion chamber. The intake valve 132 and the exhaust valve 134 are provided with electric actuators 162 and 164, respectively. The valves 132 and 134 are driven by electric actuators 162 and 164 instead of a normal cam mechanism. These electric actuators 162 and 164 have a structure in which a plurality of disk-shaped electrostrictive elements are stacked. By outputting a signal from the ECU 30 and changing the voltage applied to the electrostrictive element, the electric actuators 162 and 164 can open and close the respective intake valves 132 and exhaust valves 134 at an arbitrary timing. For this reason, the valve opening period (the period from the valve opening timing to the valve closing timing) of the valve of each cylinder in this embodiment can be freely controlled. For example, it is possible to open the exhaust valve 134 in the exhaust stroke, close it once, and then reopen it for a short time in the intake stroke. The on-off valve timing of each of the valves 132 and 134 will be described later in detail.
[0031]
The catalyst 26 is provided downstream of the exhaust passage 16 via an exhaust-side turbine 52 of the supercharger 50. The catalyst 26 is a known catalyst for purifying air pollutants contained in exhaust gas. In addition, the exhaust passage 16 is provided with an excess air ratio sensor 28 for detecting an excess air ratio λ of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber, an exhaust temperature sensor 29 for detecting the exhaust gas temperature TB, and the like. The excess ratio sensor 28 (also referred to as an air-fuel ratio sensor) can detect the excess air ratio of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber by detecting the concentration of oxygen contained in the exhaust gas.
[0032]
The operation of the gasoline engine 10 is controlled by the ECU 30. The ECU 30 is a well-known microcomputer configured by mutually connecting a CPU, a RAM, a ROM, an A / D conversion element, a D / A conversion element, and the like by a bus. The ECU 30 detects the engine rotation speed Ne and the accelerator opening θac, drives the electric actuator 24 based on these, and controls the throttle valve 22 to an appropriate opening. The engine rotation speed Ne can be detected by the crank angle sensor 32 provided at the tip of the crankshaft 148. The accelerator opening θac can be detected by an accelerator opening sensor 34 built in the accelerator pedal. Further, the ECU 30 drives the fuel injection valve 14 at an appropriate timing based on the intake air amount Q detected by using the air flow meter 13, thereby supplying an appropriate amount of fuel to the combustion chamber at an appropriate timing. . Further, since the excess air ratio sensor 28 is provided in the exhaust passage 16, the driving time of the fuel injection valve 14 or the opening degree of the throttle valve 22 is controlled based on the output from the excess air ratio sensor 28. It is also possible to control the excess air ratio of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber to be an appropriate value.
[0033]
The ECU 30 also performs ignition timing control for controlling the timing at which sparks are formed in the ignition plug 136, and controls the opening and closing timing of the intake valve 132 and the exhaust valve 134. In this embodiment, the engine 10 is operated by switching between the four-cycle operation in which the premixed spark ignition combustion is performed and the two-cycle operation in which the premixed compression ignition combustion is performed. I also do. The control of the opening / closing valve timing of the intake / exhaust valves 132 and 134 greatly differs depending on the operation cycle. Hereinafter, control of the combustion cycle and the timing of opening and closing the intake and exhaust valves 132 and 134, particularly control during transition of the operation cycle, will be described in detail.
[0034]
(2) Operation cycle
The gasoline engine 10 of this embodiment switches between two-cycle operation and four-cycle operation according to the engine speed. That is, two-cycle operation with high thermal efficiency is performed in a range where the engine rotation speed is relatively low, and four-cycle operation in which high-speed rotation is easy is performed in a range where the engine rotation speed is high. The valve opening / closing timing for the movement of the piston differs between when performing the two-cycle operation and when performing the four-cycle operation. In the gasoline engine 10, the electric actuators 162 and 164 operate the intake valve 132 and the exhaust valve 134. As described above, the opening / closing timing of these valves can be easily switched.
[0035]
FIG. 2 is an explanatory diagram conceptually showing how the ECU 30 switches operating conditions according to the engine speed and the load in the present embodiment. In the drawing, a hatched area is an area where the four-cycle operation is performed, and an unhatched area is an area where the two-cycle operation is performed. The area of the two-cycle operation is further divided into four areas according to the load, and the formation of the air-fuel mixture is adjusted. Two-cycle operation by self-ignition combustion will be described. The detailed description of the known four-cycle operation and other operation conditions in two cycles is omitted.
[0036]
FIG. 3 is an explanatory diagram conceptually showing an operation of the gasoline engine 10 under a low load condition. Unlike a four-cycle gasoline engine, a two-cycle gasoline engine has a stroke called a scavenging stroke. Further, the two-stroke engine differs from the four-stroke engine in that the entire cycle is performed during one revolution of the crankshaft 148. FIGS. 3A to 3F conceptually show the expansion stroke, the exhaust stroke, the scavenging stroke (the above and the latter stages), the intake stroke, and the compression stroke of the two-stroke engine. In a two-stroke engine, these strokes are switched one after another by opening and closing two valves, an intake valve 132 and an exhaust valve 134, at appropriate timing while moving a piston 144 up and down within a cylinder 142. FIG. 3 also schematically shows the opening / closing state of the intake valve 132 and the exhaust valve 134 due to the movement of the piston.
[0037]
For convenience of explanation, the state in which the air-fuel mixture in the combustion chamber is burned will be described. When the air-fuel mixture is burned, high-pressure combustion gas is generated in the combustion chamber, and tends to push down the piston 144. As shown in FIG. 3A, in the expansion stroke, the pressure generated in the combustion chamber is converted into torque and output to the crankshaft 148 as power while the piston 144 is lowered. When the piston 144 has descended to some extent, the exhaust valve 134 is opened at an appropriate timing. Since the combustion gas is still trapped in the combustion chamber at a high pressure, the combustion gas can be discharged by opening the exhaust valve 134 even when the piston 144 is lowered (see FIG. 3B).
[0038]
Subsequently, when the intake valve 132 is opened at an appropriate timing, the air in the intake passage 12 pressurized by the supercharger 50 flows in, and the combustion gas remaining in the combustion chamber is pushed out from the exhaust valve 134. It is discharged (see FIG. 3C). In the figure, the hatched portion indicates a region where the combustion gas remains, and the non-hatched portion indicates a region where the intake air flows. The operation of discharging the combustion gas from the combustion chamber by pushing it out with the intake air is called "scavenging". The scavenging process is called a scavenging process. In the two-stroke engine, the intake passage is pressurized, so that even if the piston 144 starts rising after passing through the bottom dead center (hereinafter also referred to as BDC), the combustion gas in the combustion chamber can still be scavenged. . FIG. 3D conceptually shows a state in which the piston 144 is raised in the latter half of the scavenging stroke while scavenging the inside of the combustion chamber. In the two-cycle operation, the fuel injection valve 14 is opened at this timing to inject a predetermined amount of fuel. As a result, an air-fuel mixture is formed in the cylinder.
[0039]
With the progress of scavenging and the formation of the air-fuel mixture, the exhaust valve 134 is closed as shown in FIG. 3 (e). However, the exhaust valve 134 is closed via the intake valve 132 until the pressure in the combustion chamber reaches the pressure in the intake passage. The intake air still flows in. At a timing when the pressure in the combustion chamber reaches the pressure in the intake passage, the intake valve 132 is closed. Then, as the piston 144 rises, the air-fuel mixture in the combustion chamber is compressed (see FIG. 3F). The compressed air-fuel mixture ignites and explodes. Thus, the operation cycle returns to FIG. 3A, and the operation is repeated from the expansion and exhaust stroke again. In the gasoline engine 10 of this embodiment, in the two-cycle operation, the intake valve 132 is opened at a timing of about 30 ° before the bottom dead center (BDC) of the piston as shown in FIG. Further, in this embodiment, the fuel spray injection period is a period from the vicinity of the bottom dead center (BDC) of the piston to immediately before the exhaust valve 134 closes, specifically, from 20 degrees before the bottom dead center of the scavenging stroke to the bottom dead center. An appropriate period is set within a range of 60 degrees after the point.
[0040]
After the fuel is injected and the exhaust valve 134 is closed at a predetermined timing, the air pressurized from the intake valve 132 flows into the combustion chamber as shown in FIG. The timing EXC1 for closing the exhaust valve 134 can be suitably set within a range of about 20 ° to about 50 ° after the bottom dead center (BDC) of the piston (see FIG. 4). The fuel spray injected in the latter half of the scavenging stroke is dispersed in the combustion chamber by the flow of intake air and mixes with the intake air. In the engine 10 of the present embodiment, the fuel injection amount is set so that the excess air ratio of the air-fuel mixture thus formed under low load conditions has a value of about 1.2 to 3.
[0041]
Then, when the intake valve 132 is closed at a predetermined timing, the air-fuel mixture in the combustion chamber is compressed with the rise of the piston thereafter. In the engine 10 of the embodiment, the timing INC1 for closing the intake valve 132 is set to about 60 ° after the bottom dead center (BDC) of the piston as shown in FIG. The timing for closing the intake valve 132 can be appropriately set typically in the range of about 50 ° to about 70 °. By setting such timing, the substantial compression ratio of the air-fuel mixture can be set to a desired value in the range of 10 to 14. In the engine 10 of the embodiment, the substantial compression ratio is set to 12.
[0042]
When the piston 144 is moved up after closing the intake valve 132 at an appropriate timing, the air-fuel mixture is compressed in the combustion chamber as shown in FIG. Self-ignite in the vicinity. As a result, the air-fuel mixture formed in the combustion chamber explodes and burns quickly.
[0043]
(3) Control during operation cycle switching transition-First embodiment-
The control in the case where the engine 10 that has been operated for four cycles under the high rotation condition shown in FIG. 2 is switched to the two-cycle operation by changing the operating conditions will be described in detail below. FIGS. 5 and 6 are flowcharts showing the control performed by the ECU 30 in the first embodiment. FIG. 7 is an explanatory diagram showing a stroke and switching valve timings of the intake valve 132 and the exhaust valve 134 when switching from the four-cycle operation to the two-cycle operation. Hereinafter, the transient control will be described with reference to these drawings.
[0044]
The switching transient control processing routine shown in FIG. 5 is repeatedly executed at predetermined intervals. When this routine is started, first, it is determined whether or not there is a request for switching the operation cycle (step S100). If there is no request, the routine ends without performing any operation. When the load condition on the engine 10 changes and the operating condition changes from the high rotation condition (the hatched area shown in FIG. 2) to the low rotation condition (the area without the hatching shown) shown in FIG. It is determined that a request for switching to cycle operation has occurred.
[0045]
In this case, it is next determined whether or not it is time to switch the cycle (step S110). The timing at which the switching can be performed means after the time when one combustion cycle of the four-cycle operation is completed. This is because the operation cycle cannot be switched before the exhaust stroke of the four-cycle operation in which control has already been started is completed for one cylinder whose operation cycle is to be switched. Since the operation of the engine can be considered as a combustion cycle from the intake to the exhaust, in the case of the four-cycle operation, it is determined that the operation of the four cycles is completed at the top dead center (TDC) after the exhaust stroke is completed. I have. Note that the intake valve 132 and the exhaust valve 134 of each cylinder of this embodiment do not use a cam driven by a common camshaft, but are individually driven using electric actuators 162 and 164. The operation timing can be freely switched every time. Therefore, in this embodiment, the switching from the 4-cycle to the 2-cycle operation is performed for each cylinder. Of course, it is possible to wait until the four-cycle operation for all cylinders is completed, and then switch to the two-cycle operation.
[0046]
If it is determined that the timing cannot be switched, the processing routine ends without performing any operation. If the cylinder of interest has completely completed one combustion cycle of the four-cycle operation, then it is determined whether or not the switching period has ended (step S120). This is because, after completely shifting to the two-cycle operation, the control at the time of switching transition is not necessary. Even when the switching period has been completed, this routine ends without performing any operation. On the other hand, if there is a request for switching from the four-cycle operation to the two-cycle operation, and the cylinder of interest can be switched after the four-cycle combustion cycle is completed, and the switching period has not ended, Control of valve timing for each cycle is performed (step S130).
[0047]
FIG. 6 shows the details of the control of the valve timing for each cycle. That is, in the switching control to the operation in two cycles, and in the transition period before the start of the two-cycle operation (this is also referred to as a 0th cycle), the first cycle, the second cycle,. Then, processing is performed to control the timing of opening and closing the intake valve 132 and the exhaust valve 134, respectively. The control of the valve timing will be described below based on FIG. 6 which is a flowchart showing the process and FIG. 7 which is an explanatory diagram showing the valve opening / closing timing. In addition, for convenience of illustration, in FIG. 7, the intake valve and the exhaust valve are respectively described as “intake valve” and “exhaust valve”.
[0048]
When the valve timing control routine is started, it is first determined whether or not the current cycle number n is 0 (step S200). As shown in FIG. 7, the four-cycle operation is completed with the top dead center at which the exhaust stroke is completed, but the two-cycle operation starts with the scavenging stroke in which the intake and exhaust simultaneously proceed, so that one cycle of the two-cycle operation is performed. Is from the bottom dead center (BDC) to the next bottom dead center. Therefore, in the transition period (0th cycle) from the last top dead center (TDC) of the four-cycle operation to the first top dead center (BDC) of the two-cycle operation, control that does not belong to any of the two- and four-cycle operations Is performed, a process of selecting the valve timing of the transition period is performed (step S210). In the first embodiment, as shown in FIG. 7, the valve timing is maintained while the exhaust valve 134 is kept open, and the intake valve 132 is opened shortly before entering the first cycle (first cycle) of the two-cycle operation. The valve will open. The valve timing is selected, and thereafter, in synchronization with the rotation of the crankshaft 148, the electric actuators 162 and 164 are controlled to perform opening / closing valve control for driving the intake valve 132 and the exhaust valve 134 (step S220).
[0049]
As shown in FIG. 7, when the exhaust valve 134 is kept open during this transition period (0th cycle), more exhaust gas is exhausted through the exhaust valve 134 than in a normal combustion cycle. It is discharged to the passage 16 side. In a normal combustion cycle, not all of the combustion gas after combustion is exhausted, and part of the combustion gas remains in the cylinder and is used to keep the temperature of the air-fuel mixture high in the next combustion cycle. I have. On the other hand, by keeping the exhaust valve 134 open during the transition period, more combustion gas than usual flows through the exhaust valve 134 and exits to the exhaust passage 16 side. In this process, the combustion gas comes into contact with members such as the exhaust valve 134 and the exhaust passage 16 and lowers its temperature. In the second half of the transition period, the piston 144 descends, so that the combustion gas that once goes out and has a lowered temperature returns from the exhaust passage 16 side to the combustion chamber via the exhaust valve 134. Therefore, the temperature of the residual gas in the cylinder at the time when the two-cycle operation is started is lower than that in the case where the combustion cycle is continuous.
[0050]
In the transition period (n = 0), after performing the above control to lower the temperature of the in-cylinder gas, the two-cycle operation is started. At this time, the ECU 30 shifts the control to step S230, and determines the current cycle number n (step S230). Subsequently, a process of selecting the valve timing of the n-th cycle based on the determined number of cycles n is performed (step S240). Subsequently, by driving the intake and exhaust valves 132 and 134 at a valve timing selected according to the cycle number n (step S220), in this embodiment, in the first cycle immediately after the start of the two-cycle operation, the exhaust is performed. Control is performed in which the valve opening time of the valve 134 is made longer than the normal cycle, and gradually approaches the normal valve opening time in the second cycle, the third cycle, and so on. That is, when the operation is switched from the four-cycle operation to the two-cycle operation, the first five cycles of the two-cycle operation following the transition period are regarded as a switching transition period, and the valve opening period of the exhaust valve 134 is gradually shortened. The amount of exhaust gas discharged / re-sucked via the valve 134 is gradually changed. This situation is shown in FIG. In the figure, the vertical axis indicates the amount of exhaust gas that is once exhausted through the exhaust valve 134 and then re-sucked. However, in other embodiments described later, the scavenging amount is similarly gradually changed. In order to make the figures common, the vertical axis also shows the “scavenging amount”.
[0051]
According to the engine 10 and the control device of the first embodiment described above, the air-fuel mixture is compressed from the four-cycle operation in which the air-fuel mixture is ignited by the spark formed in the ignition plug 136 to perform explosive combustion. When switching to the two-cycle operation in which explosive combustion by self-ignition is performed, the exhaust valve 134 is opened longer than normal control, combustion gas is taken in and out through the exhaust valve 134, and the temperature of gas remaining in the cylinder is reduced. be able to. This is because the exhaust gas heated to a high temperature by the combustion enters and exits through the exhaust valve 134 and the exhaust port, so that the exhaust valve and the exhaust port deprive the heat amount and lower the temperature. As a result, the temperature of the in-cylinder gas maintained at a high temperature in the four-cycle operation is lowered by the start of the two-cycle operation, and in the two-cycle operation, undesired early ignition and knocking can be prevented. it can. Therefore, it is possible to obtain a desirable result in terms of drivability and durability without causing a problem such as generation of vibration and abnormal noise at the time of switching transition. If the valve opening time of the intake valve 132 is increased in the exhaust stroke and the intake stroke, a part of the exhaust gas once goes out to the intake port side via the intake valve 132 and is sucked again. Drops. Therefore, the same control can be performed on the intake valve to achieve the same effect.
[0052]
Moreover, in this embodiment, since a large amount of combustion gas is discharged and re-sucked using the transition period, the temperature of the residual gas in the cylinder can be rapidly reduced in a short period of time. Furthermore, after that, when the two-cycle operation is started, the valve opening timing of the exhaust valve 134 is not immediately returned to the original one, but gradually over the gradual change period (the first cycle to the fifth cycle in this embodiment). Since the operation is returned to the normal timing, the operation and effect of reducing the in-cylinder gas temperature due to the extension of the valve opening time can be secured for a predetermined period, and the sudden closing timing of the exhaust valve 134 is changed. There is no occurrence of torque shock or the like of the engine 10. In the present embodiment, the gradual change period is set to about 5 cycles, but the length may be appropriately determined according to the characteristics of the engine. Also, instead of gradually changing the valve timing, some timings may be determined in advance and switched according to the number of cycles n.
[0053]
(4) Modification:
Next, a modification of the first embodiment will be described. In the modification, as shown in FIG. 9, the switching itself from the four-cycle operation to the two-cycle operation is performed in the same manner as in the first embodiment, and the mechanism for lowering the temperature of the gas remaining in the cylinder is also the first mechanism. This is the same as the embodiment. In the modified example, the timing of opening and closing the exhaust valve 134 in the last cycle and the transition period of the four-cycle operation is different. As shown in FIG. 9, the exhaust valve 134 is temporarily closed at a timing t1 during the exhaust stroke of the final cycle of the four-cycle operation. As in the first embodiment, the combustion gas is discharged to the exhaust passage 16 side by blowdown. After that, in the transition period, the exhaust valve 134 is opened again (timing t2 in the figure), and subsequently, the intake valve 132 is opened. The valve opening timing of the intake valve 132 is a valve opening timing corresponding to the scavenging stroke of the normal two-cycle operation. When the exhaust valve 134 is opened for the second time, the intake valve 132 is also opened immediately and scavenging is started. As a result, scavenging is sufficiently performed before the start of the two-cycle operation, and fresh air not involved in combustion enters the cylinder from the intake passage 12 side, so that the gas temperature in the cylinder is sufficiently reduced.
[0054]
By performing such control, the occurrence of undesired early ignition or knocking can be prevented as in the first embodiment, and the exhaust valve 134 is not fully opened for a long period of time. No pump loss occurs. As a result, the thermal efficiency can be increased as a whole without excessively lowering the thermal efficiency and, consequently, lowering the fuel efficiency. In addition, since the control can be performed at the normal valve opening / closing timing from the first cycle of the two-cycle operation, the stability of the valve control can be improved. It is also preferable that the control for sufficiently performing scavenging to lower the in-cylinder gas temperature be continued for a while after the two-cycle operation is started. As described with reference to FIG. 8, the scavenging amount control can also gradually approach the scavenging amount of the normal two-cycle operation by providing a gradual change period. In this embodiment and the modification, the electric actuator is used to drive the intake and exhaust valves 132 and 134, so that the intermittent valve opening and closing shown in FIG. 9 can be easily realized. Of course, a camshaft and a driving cam for a four-cycle operation and a camshaft and a driving cam for a two-cycle operation are prepared. Can be easily realized.
[0055]
(5) Control during switching transition in the second embodiment:
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a gasoline engine 100 according to the second embodiment. This engine 100 has substantially the same configuration as the first embodiment, but differs from the first embodiment in that an external EGR mechanism for recirculating exhaust gas from the exhaust passage 16 to the intake passage 12 is further provided. The exhaust gas recirculation mechanism includes a recirculation passage 170 extending from the exhaust passage 16 to the intake passage 12, and an EGR amount adjusting valve 172 for adjusting the amount of recirculated gas. For convenience of explanation, in FIG. 10, members other than the recirculation mechanism are denoted by the same reference numerals as those in FIG. The EGR amount adjusting valve 172 is connected to the ECU 30, and by adjusting the opening thereof, the amount of exhaust gas circulating from the exhaust passage 16 to the intake passage 12 can be controlled. Since it is considered that the combustion gas described in the first embodiment is once discharged into the exhaust passage 16 and then returned to the cylinder via the exhaust valve 134 again, it is considered as a kind of EGR. When it is necessary to distinguish the exhaust gas from the configuration in which the exhaust gas is returned from the exhaust passage 16 to the intake passage 12, the latter is referred to as an external EGR.
[0056]
In the second embodiment, the ECU 30 performs substantially the same control as the first embodiment, but executes a valve timing control routine shown in FIG. 11 instead of the process shown in FIG. Note that, among the processing shown in FIG. 11, those having the same last two digits as the processing of FIG. 5 have the same processing content. That is, the second embodiment is different from the control of the first embodiment in that steps S315 and S345 are added.
[0057]
In the valve timing control routine of the second embodiment, when the switching from the four-cycle operation to the two-cycle operation is started, in the transition period (n = 0), the exhaust valve 134 is opened at a unique valve timing during the transition period. Then, the intake valve 132 is opened (step S300 → S310). After selecting the valve switching timing, in the second embodiment, the EGR amount during the transition period is adjusted (step S315). Similarly, in the first cycle, the second cycle,... After the start of the two-cycle operation, the number n of cycles is determined, the valve timing of the n-th cycle is selected (step S330 → S340), and then the n-th cycle is performed. The cycle EGR amount is set (step S345). An example of the control of the valve timing and the EGR amount is shown in FIG. As shown, in this embodiment, the EGR amount is maximized during the transition period, and thereafter, is gradually reduced as the cycle proceeds. As a result, the external EGR amount is adjusted during the transition from the four-cycle operation to the two-cycle operation. The valve opening / closing timing may be the same as the timing shown in FIG. 9, or the exhaust valve 134 may be set to the normal opening / closing valve timing, and the combustion gas remaining in the cylinder may be returned via the exhaust valve 134. May not be performed.
[0058]
The external EGR amount in the second embodiment is increased at the time of switching transition as compared with the four-cycle operation. Since the temperature of the exhaust gas circulated through the recirculation passage 170 to the intake system and drawn into the cylinder has dropped considerably, according to the second embodiment, during the transition of the operation cycle, the internal The gas temperature can drop rapidly. As a result, undesired early ignition or knocking does not occur immediately after switching to the two-cycle operation. For this reason, problems such as occurrence of a tapping sound and deterioration of durability are not caused.
[0059]
In the second embodiment as well, the external EGR can be performed over several cycles at the time of the switching transition, but this period in which the external EGR is added may be appropriately determined according to the characteristics of the engine 10 and the like. Further, similarly to the first embodiment, it is preferable that the external EGR amount is gradually changed or switched over several steps. In the present embodiment, the switching of the valve timing is also performed (steps S310 and S340), but the valve temperature may not be controlled, and the gas temperature in the cylinder may be reduced only by the external EGR amount. In this case, there is an advantage that the control of the valve timing accompanying the switching of the operation cycle becomes unnecessary. In addition, even when the valve timing is switched using a valve train system with not so high responsiveness instead of the electric actuators 162 and 164, there is also an advantage that the gas temperature in the cylinder can be quickly reduced by the external EGR. can get.
[0060]
Next, a modification of the above embodiment will be described. In this modification, the same hardware configuration and control as in the first embodiment or the second embodiment are performed, and further, in the first few cycles in which the operation is switched to the two-cycle operation, the intake valve 132 and the exhaust valve 134 are changed. At least one of the valve closing timings is delayed, and control is performed to lower the effective compression ratio by lowering the degree of compression of the air-fuel mixture by the piston 144. That is, as shown in FIG. 13, the valve closing timing INC2 of the intake valve 132 is delayed to the angle θi or the valve closing timing EXC2 of the exhaust valve 134 is changed from the normal two-cycle opening / closing valve timing shown in FIG. Control is performed to delay the angle θo.
[0061]
As a result, the effective compression ratio of the air-fuel mixture in the cylinder is reduced to the extent that self-ignition is possible, and its temperature rise is suppressed. As a result, undesired early ignition or knocking due to an excessive rise in the cylinder gas temperature. There is no problem such as the occurrence of the problem. The control of the effective compression ratio by delaying the closing timing of the intake and exhaust valves 132 and 134 may be gradually changed to the normal valve timing after the two-cycle operation is started, similarly to other controls. . By performing such a gradual change control, the operation state of the engine 10 can be switched to the normal control of the two-cycle operation without causing a torque shock or the like, which is preferable. This control may be performed alone, but if the control is performed in conjunction with the control of the discharge and re-intake of the combustion gas via the exhaust valve 134 during the switching transition or the control of the external EGR amount during the switching transition, the in-cylinder control can be further performed. Needless to say, this contributes to a reduction in gas temperature. In this modification, the control for lowering the effective compression ratio was realized by adjusting the closing timing of the intake and exhaust valves. However, if the engine has a mechanical compression ratio variable mechanism, the control is realized by controlling the mechanism. You may. As such a mechanical compression ratio variable mechanism, a connecting rod 146 connecting the piston 144 and the crankshaft 148 is divided into a plurality of members, and a bending rod type having a mechanism for varying the net length in the middle, Various configurations are known, such as a type in which a stroke is varied by eccentricity of a crank pin, and a mechanism in which a cylinder swings or moves to vary a compression ratio.
[0062]
(6) Control of the third embodiment:
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the hardware configuration is the same as that of the first or second embodiment, but is different from the first or second embodiment at the time of transition from the four-cycle operation to the two-cycle operation, and is different from the first or second embodiment in the transition period. Switching is performed without providing a corresponding period. That is, in the switching transition processing routine shown in FIG. 5, in the determination of "is it possible to switch?" (Step S110), in the first and second embodiments, the process waits until the last TDC of the four-cycle operation, and thereafter In contrast to the transition to the two-cycle operation after the transition period (n = 0), in this embodiment, the last BDC of the four-cycle operation determines that “switching to the two-cycle operation is possible” and the transition is made. The two-cycle operation has started without passing the period. This is shown in FIG.
[0063]
Therefore, in the third embodiment, in the valve timing control routine (FIGS. 6 and 11), it is determined whether or not the number of cycles n is 0, or the process when n = 0 (steps S210, S310, S315) does not exist. It is considered that the first cycle of the two-cycle operation has started from the last BDC of the last cycle of the four-cycle operation, and thereafter, depending on whether the n-th cycle of the two-cycle operation (n = 1, 2,...) Change the timing. In the final cycle of the four-cycle operation (that is, the first cycle of the two-cycle operation), the timing for opening the exhaust valve 134 is particularly delayed to near BDC. As a result, in the final cycle of the four-cycle operation, the engine 10 completes the work due to the expansion, the energy is worked out and taken out, and the temperature of the in-cylinder gas is sufficiently reduced. As a result, it is possible to prevent an excessive rise in the gas temperature in the cylinder at the time when the two-cycle operation is started, and to suppress occurrence of undesired early ignition and knocking. Since the expansion stroke is sufficiently taken in the last cycle of the four-cycle operation, the thermal efficiency of the engine 10 can be increased. Further, according to the present embodiment, it is not necessary to provide a transition period that is not involved in the combustion cycle from the final cycle of the four-cycle operation to the first cycle of the two-cycle operation, so that the engine torque is temporarily dropped. There is no problem. Further, since the control of the two-cycle operation is immediately started without providing a transition period, the control of the valve timing of the intake and exhaust valves 132 and 134 can be simplified, and the valve opening / closing valve control can be simplified. Valve control can be performed stably. Further, the cycle of valve control can be shortened.
[0064]
Furthermore, in the first cycle of the two-cycle operation, if the effective compression ratio is lowered by delaying the closing timing of the intake and exhaust valves 132 and 134, the temperature of the in-cylinder gas can be reduced more efficiently. Further, control such as a decrease in the in-cylinder gas temperature due to an increase in the scavenging amount described as a modification of the first embodiment, a decrease in the in-cylinder gas temperature due to an increase in the external EGR amount described in the second embodiment, or a second embodiment It is also easy to combine the process of lowering the effective compression ratio described as a modification of the example with the control of the third embodiment. In this case, the temperature of the in-cylinder gas can be further reduced.
[0065]
(7) Modification of the third embodiment:
Next, a modification of the third embodiment will be described. This modification is the same as the third embodiment in that the first cycle of the two-cycle operation is started from the BDC of the last cycle of the four-cycle operation as shown in FIG. In this modification, the closing timing of the exhaust valve 134 in the final cycle of the four-cycle operation is earlier than in the third embodiment, and the expansion stroke is set to be substantially the same as that in the two-cycle operation. That is, the exhaust valve 134 opens much before BDC. On the other hand, the next valve opening timing of the exhaust valve 134 is the timing of normal two-cycle operation.
[0066]
In this modification, the opening and closing timing of the valve is further simplified, the control is simple, and the stability can be improved. The control for lowering the in-cylinder gas temperature may be performed by combining the methods of some of the above-described embodiments. For example, the in-cylinder gas temperature may be lowered by delaying the closing timing of the intake / exhaust valves 132 and 134 in the scavenging / compression stroke to lower the effective compression ratio. Alternatively, the external EGR amount may be increased (see FIG. 11). Further, by making the work of the expansion stroke in the final cycle of the four-cycle operation smaller than that in the third embodiment, the output torque from the engine 10 apparently decreases. Increasing and correcting the fuel injection amount is also useful for suppressing the torque fluctuation of the engine 10. FIG. 16 illustrates an example of a process when the fuel is increased and corrected in the final cycle. When there is a request to switch the operation cycle (step S400), ECU 30 determines whether or not fuel injection has already been performed (step S401). If fuel injection has not been performed, ECU 30 calculates the fuel injection amount Tm of cycle m by a coefficient. A process of increasing the amount by Kv (Kv> 1) is performed (step S402). On the other hand, if the fuel injection of the cycle has already been performed, the fuel injection amount is not corrected. Thereafter, it is determined whether or not the operation cycle can be switched (step S410). Since the subsequent processing is basically the same as that of the first embodiment shown in FIG. 5, the description is omitted.
[0067]
In each of the above embodiments, the intake / exhaust valve is driven by the electric actuator. However, the intake / exhaust valve can be opened / closed by using a cam and rotating the crankshaft. In this case, since the opening and closing timings of the valves are greatly different between the four-cycle operation and the two-cycle operation, a mechanism that can freely adjust the opening and closing timing of the intake and exhaust valves is required. Since various mechanisms are known for such a valve train, a detailed description thereof will be omitted. However, the valve movement for one rotation of the crankshaft 148 is greatly different between the two-cycle operation and the four-cycle operation. Alternatively, a dedicated camshaft may be prepared, and the camshaft may be switched with the switching of the operation cycle. Such a switching mechanism of the valve train is known. Further, in the operating camshaft, a mechanism for freely controlling the valve opening timing and the valve closing timing of the intake and exhaust valves includes a mechanism for controlling a valve opening period by varying a valve lift amount by a valve driving cam, A mechanism that changes the phase by changing the phase of the driving cam with respect to the rotation of the crankshaft 148 can be configured in combination. By adjusting the lift amounts of the intake valve 132 and the exhaust valve 134 and the phase with respect to the crankshaft, as a result, both the valve opening timing and the valve closing timing of each valve can be freely controlled. The adjustment of the valve lift amount can be easily realized by providing a mechanism for varying the length of a member that connects the cam profile tracing member and the intake / exhaust valve.
[0068]
As described above, the embodiments of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to these embodiments at all, and may be embodied in various forms without departing from the gist of the present invention. Of course. For example, in the present embodiment, a three-cylinder engine is taken as an example. However, the present invention can be applied to engines other than three cylinders, for example, engines having different numbers of cylinders such as four cylinders, five cylinders, six cylinders, eight cylinders, and twelve cylinders. . Further, as another configuration for lowering the in-cylinder gas temperature at the time when the operation cycle is switched to the two-cycle operation, for example, a temporary decrease in the intake air temperature by an intercooler, a cooling of a cylinder block using a semiconductor element, and the like. Of course, a method can be adopted. As a method of reducing the in-cylinder gas temperature, there are a method of introducing a gas having a low temperature (or a lowered temperature) (external EGR, fresh air, etc.), a method of lowering the temperature of the exhaust gas itself, and a method of rapidly lowering the temperature of the cylinder block. As a result, various methods such as a method of lowering the in-cylinder gas temperature can be adopted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine 10 and a control device thereof according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a relationship between an engine speed and a load and an operation cycle.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a stroke of a two-cycle operation.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing opening and closing valve timings of intake and exhaust valves in a two-cycle operation.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a switching transient processing routine.
FIG. 6 is a flowchart showing a valve timing control routine at the time of switching transition.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing valve timing at the time of switching operation cycles in the first embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a state of a gradual change in a re-suction exhaust gas amount and a scavenging amount.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing valve timing at the time of switching operation cycles in a modification of the first embodiment.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of an engine 100 and a control device thereof according to a second embodiment.
FIG. 11 is a flowchart illustrating a valve timing control routine according to a second embodiment.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing valve timing at the time of switching operation cycles in the second embodiment.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing opening and closing valve timings of intake and exhaust valves in a modification of the second embodiment.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing valve timing at the time of switching operation cycles in the third embodiment.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing valve timing at the time of switching operation cycles in a modification of the third embodiment.
FIG. 16 is a flowchart illustrating a switching transient processing routine in a modification of the third embodiment.
[Explanation of symbols]
10. Gasoline engine
12 ... intake passage
13 ... Air flow meter
14 ... Fuel injection valve
15. Intake air temperature sensor
16 Exhaust passage
20 ... Air cleaner
22 ... Throttle valve
24 ... Electric actuator
26 ... catalyst
28 ... Air excess rate sensor
29… Exhaust gas temperature sensor
30 ... ECU
32 ... Crank angle sensor
34 Accelerator opening sensor
50 ... Supercharger
52 ... exhaust side turbine
54 ... Compressor
60 ... Surge tank
62 ... Intercooler
100 ... gasoline engine
130 ... Cylinder head
132 ... intake valve
134 ... exhaust valve
136 ... Spark plug
140 ... cylinder block
142 ... cylinder
144 ... piston
146… Connecting rod
148 ... Crankshaft
148 ... Crankshaft
162, 164: Electric actuator
170: Recirculation passage
172: EGR amount adjustment valve

Claims (19)

燃焼サイクルを4サイクルと2サイクルに切換可能な可変サイクルエンジンを制御する装置であって、
火花点火燃焼を行なう4サイクル運転から圧縮自着火燃焼を行なう2サイクル運転に切り替えるとき、切替過渡時の筒内ガス温度を低下するガス温度低下手段を備えたエンジン制御装置。
An apparatus for controlling a variable cycle engine capable of switching a combustion cycle between four cycles and two cycles,
An engine control device provided with a gas temperature lowering means for lowering in-cylinder gas temperature at the time of switching transition when switching from four-cycle operation in which spark ignition combustion is performed to two-cycle operation in which compression ignition combustion is performed.
請求項1記載のエンジン制御装置であって、
前記エンジンに備えられた吸気弁および/または排気弁を、少なくとも排気および吸気行程の一部において開弁状態に調整する開弁調整手段を備えると共に、
前記ガス温度低下手段は、前記筒内ガス温度の低下を、前記切替過渡時に、前記開弁調整手段を制御して、前記吸気弁および/または排気弁を開弁状態とすることで実現する手段である
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 1,
A valve opening adjusting means for adjusting an intake valve and / or an exhaust valve provided in the engine to an open state at least in a part of an exhaust and intake strokes;
The gas temperature lowering unit is configured to reduce the in-cylinder gas temperature by controlling the valve opening adjusting unit during the switching transition to open the intake valve and / or the exhaust valve. Engine control device.
請求項1記載のエンジン制御装置であって、
前記エンジンが2サイクル運転されている際の掃気量を調整する掃気量調整手段を備えると共に、
前記ガス温度低下手段は、前記筒内ガス温度の低下を、該掃気量調整手段を制御することにより、前記切替過渡時における2サイクル運転の初期において、該2サイクル運転の掃気量を該切替過渡時の経過後の掃気量より増加することで実現する手段である
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 1,
A scavenging amount adjusting means for adjusting a scavenging amount when the engine is operated for two cycles;
The gas temperature lowering means controls the scavenging amount adjustment means to control the scavenging amount adjustment means to control the scavenging amount of the two-cycle operation during the switching transition at the initial stage of the two-cycle operation. An engine control device that is realized by increasing the scavenging amount after the passage of time.
請求項3記載のエンジン制御装置であって、
前記掃気量調整手段は、前記エンジンに備えられた吸気弁および/または排気弁の開弁タイミングを調整する開弁調整手段であり、
前記ガス温度低下手段は、前記掃気量の増加を、該開弁調整手段を制御することで実現する手段である
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 3, wherein
The scavenging amount adjustment unit is a valve opening adjustment unit that adjusts a valve opening timing of an intake valve and / or an exhaust valve provided in the engine.
The engine control device, wherein the gas temperature lowering unit is a unit that increases the scavenging amount by controlling the valve opening adjusting unit.
請求項3または請求項4記載のエンジン制御装置であって、
前記ガス温度低下手段は、前記増加された前記2サイクル運転の掃気量を、前記切替過渡時経過後の所定期間に亘って漸減することで、前記2サイクル運転の定常的な掃気量に戻す漸減手段を備える
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 3 or 4, wherein:
The gas temperature lowering means gradually reduces the increased scavenging amount of the two-cycle operation over a predetermined period after the elapse of the switching transition, so as to gradually return the scavenging amount to the steady scavenging amount of the two-cycle operation. An engine control device comprising means.
請求項1記載のエンジン制御装置であって、
前記エンジンに備えられた排気弁の開弁を調整する開弁調整手段を備えると共に、
前記ガス温度低下手段は、前記筒内ガス温度の低下を、前記開弁調整手段を制御して、前記切替過渡時の4サイクル運転の最後のサイクルにおいて前記排気弁を一旦開いて排気を実行し、該切替過渡時の2サイクル運転の最初のサイクルにおいて前記排気弁を開いて掃気を実行すること、により実現する手段である
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 1,
With valve-opening adjusting means for adjusting the opening of the exhaust valve provided in the engine,
The gas temperature lowering means controls the valve opening adjustment means to reduce the in-cylinder gas temperature, and once in the last cycle of the four-cycle operation at the time of the switching transition, opens the exhaust valve once and executes exhaust. An engine control device which is realized by opening the exhaust valve and performing scavenging in the first cycle of the two-cycle operation during the switching transition.
請求項1記載のエンジン制御装置であって、
前記エンジンの排気系と吸気系とを連通するEGR通路を介して、該エンジンの吸気に、排気の一部を再循環して混入する外部EGR手段を備えると共に、
前記ガス温度低下手段は、前記筒内温度の低下を、前記切替過渡時において、前記外部EGR手段を制御することにより吸気に混入される排気量を増加すること、により実現する手段である
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 1,
An external EGR means for recirculating a part of the exhaust gas into the intake air of the engine via an EGR passage communicating the exhaust system and the intake system of the engine,
The engine temperature control means is a means for realizing the reduction of the in-cylinder temperature by controlling the external EGR means to increase the amount of exhaust gas mixed into the intake air during the switching transition. apparatus.
請求項7記載のエンジン制御装置であって、
前記ガス温度低下手段は、前記外部EGR手段を制御して増加された該切替過渡時に混入される排気量を、前記切替過渡時経過後の所定期間に亘って漸減することで、前記2サイクル運転の定常的な量に戻す漸減手段を備える
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 7, wherein
The gas temperature lowering means controls the external EGR means and gradually reduces the increased amount of exhaust mixed during the switching transition over a predetermined period after the switching transition, thereby achieving the two-cycle operation. An engine control device provided with a gradual decrease means for returning to a steady amount.
請求項7または請求項8記載のエンジン制御装置であって、
前記エンジンが2サイクル運転されている際の掃気量を調整する掃気量調整手段を備えると共に、
前記ガス温度低下手段は、前記外部EGR手段を制御して吸気に混入される排気量を増加するのに合わせて、前記掃気量調整手段を制御して、該2サイクル運転の掃気量を前記切替過渡時の経過後の掃気量より増加する手段を備えた
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 7 or 8, wherein:
A scavenging amount adjusting means for adjusting a scavenging amount when the engine is operated for two cycles;
The gas temperature lowering means controls the scavenging amount adjusting means in accordance with increasing the amount of exhaust gas mixed into the intake air by controlling the external EGR means, thereby switching the scavenging amount in the two-cycle operation. An engine control device provided with a means for increasing a scavenging amount after a transition has elapsed.
請求項9記載のエンジン制御装置であって、
前記ガス温度低下手段は、前記掃気量調整手段を制御して増加した前記掃気量を、前記切替過渡時経過後の所定期間に亘って漸減することで、前記2サイクル運転の定常的な量に戻す漸減手段を備える
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 9, wherein
The gas temperature lowering means gradually reduces the scavenging amount increased by controlling the scavenging amount adjusting means over a predetermined period after the switching transition time to a steady amount of the two-cycle operation. An engine control device including a return taper.
請求項1記載のエンジン制御装置であって、
前記エンジンに備えられた吸気弁または排気弁の少なくとも一方の閉弁タイミングを調整する閉弁調整手段を備えると共に、
前記ガス温度低下手段は、前記筒内ガス温度の低下を、前記切替過渡時に、前記閉弁調整手段を制御して、前記吸気弁または排気弁の少なくとも一方の閉弁タイミングを遅らせることにより実現する手段である
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 1,
With a valve-closing adjusting means for adjusting the valve-closing timing of at least one of the intake valve or the exhaust valve provided in the engine,
The gas temperature lowering means realizes the lowering of the in-cylinder gas temperature by controlling the valve closing adjusting means at the time of the switching transition to delay the closing timing of at least one of the intake valve and the exhaust valve. The engine control device that is the means.
請求項11記載のエンジン制御装置であって、
前記ガス温度低下手段は、前記閉弁調整手段を制御して遅らせた閉弁タイミングを、前記切替過渡時経過後の所定期間に亘って徐々に変更することで、前記2サイクル運転の定常的な量に戻す徐変手段を備える
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 11, wherein
The gas temperature lowering means gradually changes the valve closing timing controlled by controlling the valve closing adjusting means over a predetermined period after the switching transition time, so that the two-cycle operation can be continuously performed. An engine control device including a gradual change means for returning to an amount.
請求項1記載のエンジン制御装置であって、更に、
前記切替過渡時において、該4サイクル運転の膨張行程に引き続き、該2サイクル運転の掃気・排気行程を行なって該2サイクル運転を開始する運転切替手段を備えたエンジン制御装置。
The engine control device according to claim 1, further comprising:
An engine control device comprising an operation switching means for starting the two-cycle operation by performing a scavenging / exhaust stroke of the two-cycle operation following the expansion stroke of the four-cycle operation during the switching transition.
請求項13記載のエンジン制御装置であって、
前記エンジンに備えられた吸気弁および/または排気弁の開閉弁タイミングを調整する開閉弁調整手段を備えると共に、
前記運転切替手段は、前記4サイクル運転の膨張行程の終了時期を、前記開閉弁調整手段を制御することにより、前記エンジンのBDC近傍とした
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 13,
An opening / closing valve adjusting means for adjusting opening / closing valve timing of an intake valve and / or an exhaust valve provided in the engine;
The engine control device, wherein the operation switching unit sets the end time of the expansion stroke of the four-cycle operation to be close to the BDC of the engine by controlling the on-off valve adjusting unit.
請求項13記載のエンジン制御装置であって、更に
前記エンジンに備えられた吸気弁および/または排気弁の少なくとも閉弁タイミングを調整する閉弁調整手段と、
前記切替過渡時における前記2サイクル運転の最初のサイクルにおいて、前記閉弁調整手段を制御することにより、吸気バルブおよび/または排気バルブの閉弁時期を遅らせて、有効圧縮比を低下する圧縮比調整手段とを
を備えたエンジン制御装置。
14. The engine control device according to claim 13, further comprising: a valve closing adjusting unit that adjusts at least a valve closing timing of an intake valve and / or an exhaust valve provided in the engine.
In the first cycle of the two-cycle operation at the time of the switching transition, by controlling the valve closing adjusting means, the closing timing of the intake valve and / or the exhaust valve is delayed to reduce the effective compression ratio. An engine control device comprising:
請求項13記載のエンジン制御装置であって、
前記エンジンに備えられた吸気弁および/または排気弁の開閉弁タイミングを調整する開閉弁調整手段を備えると共に、
前記運転切替手段は、前記4サイクル運転の膨張行程を、前記2サイクル運転の膨張行程と同じ期間とし、前記排気バルブの次の開弁タイミングから、2サイクル運転の定常運転時のバルブ開閉タイミングとしての運転に制御を移す
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 13,
An opening / closing valve adjusting means for adjusting opening / closing valve timing of an intake valve and / or an exhaust valve provided in the engine;
The operation switching means sets the expansion stroke of the four-cycle operation to the same period as the expansion stroke of the two-cycle operation, and determines the valve opening / closing timing during the steady operation of the two-cycle operation from the next valve opening timing of the exhaust valve. An engine control device that transfers control to the operation of the vehicle.
請求項16記載のエンジン制御装置であって、
前記運転切替手段は、前記定常運転時の2サイクル運転の初期において、前記吸気弁および/または排気弁の閉弁タイミングを遅らせて、有効圧縮比を低下する圧縮比調整手段を備える
エンジン制御装置。
The engine control device according to claim 16, wherein
An engine control apparatus comprising: a compression ratio adjusting unit that delays a closing timing of the intake valve and / or the exhaust valve to lower an effective compression ratio at an early stage of a two-cycle operation during the steady operation.
請求項13記載のエンジン制御装置であって、
前記エンジンに供給する燃料量を調整する燃料供給量調整手段と、
前記切替過渡時における前記4サイクル運転の少なくとも最終サイクルにおいて、前記エンジンに供給する燃料量を増量する燃料増量手段と
を備えたエンジン制御装置。
The engine control device according to claim 13,
Fuel supply amount adjusting means for adjusting the amount of fuel supplied to the engine;
An engine control device comprising: fuel increasing means for increasing an amount of fuel supplied to the engine in at least a final cycle of the four-cycle operation at the time of the switching transition.
燃焼サイクルを4サイクルと2サイクルに切換可能な可変サイクルエンジンを制御する方法であって、
火花点火燃焼を行なう4サイクル運転から圧縮自着火燃焼を行なう2サイクル運転に切り替えるとき、該切替過渡時の所定期間に亘って、筒内ガス温度を低下する処置を行なう
エンジン制御方法。
A method for controlling a variable cycle engine capable of switching a combustion cycle between four cycles and two cycles,
An engine control method for performing a measure to reduce the in-cylinder gas temperature for a predetermined period of time when the switching is performed, when switching from four-cycle operation in which spark ignition combustion is performed to two-cycle operation in which compression ignition combustion is performed.
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