JP2004263562A - 予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮自着火式内燃機関において、各運転状況に応じて最適な自着火時期を得られるようにして、燃焼の改善を図ることを目的としている。
【解決手段】燃焼室内で吸気と燃料を予め混合し、圧縮することにより自着火させる内燃機関の制御方法である。排気弁９を圧縮行程中に一時的に再啓開させると共に、該再啓開の弁閉時期を変更自在としており、各運転領域で最適な自着火時期が得られる有効圧縮比となるように、上記再啓開の弁閉時期を変更する。機関回転数と負荷から排気弁の再啓開の弁閉時期マップを形成し、該弁閉時期マップにより、排気弁９の弁閉時期を変更する。特に、負荷が小さい運転領域では有効圧縮比を高め、負荷が大きくなるに従い有効圧縮比を低くするように、排気弁９の弁閉時期を変更する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法に関し、主としてディーゼル機関に適した制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種予混合圧縮自着火式内燃機関は、ディーゼル機関の燃焼改善のために開発されたものであり、燃焼室内で予め燃料と空気の混合気を形成し、この混合気をピストンによる断熱圧縮により昇温、昇圧させ、燃料の発火点において自着火させる燃焼方式である。この方式によると、ディーゼル機関において超リーン燃焼が可能となり、ＮＯｘとスモークの低減を達成することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２７１６７１号公報。
【特許文献２】特開２００１−２８０１６４号公報。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
有効圧縮比を固定してある従来のディーゼル機関の場合、負荷（当量比）が増加すると、圧縮途中での自着火時期が早くなり、いわゆるノッキング現象を起こす場合がある。このノッキングは、機関騒音の増大並びに熱効率の低下を招く。
【０００５】
逆に低負荷時には、圧縮後においても、圧力及び温度等の着火要件が揃わない場合があり、失火を招くことがある。
【０００６】
予混合圧縮自着火式内燃機関の自着火は、基本的には混合気の温度と筒内圧によって左右されるものであり、この温度と筒内圧は有効圧縮比が主たる要因となって決定される。たとえば過早着火によるノッキングを回避するためには、圧縮中の混合気の温度及び圧力の上昇を自着火限界値以下に抑える必要があり、また、最良の着火時期、すなわち圧縮上死点付近で自着火を起こさせるためには、圧縮上死点における温度及び圧力を最適に制御する必要がある。
【０００７】
【発明の目的】
本願発明は、排気弁の再啓開の弁閉時期を変更することにより有効圧縮比を変更し、それにより各種運転領域において最適なタイミングで自着火できるように制御できるようにし、ノッキング及び失火を防止することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願請求項１記載の発明は、燃焼室内で空気と燃料を予め混合し、圧縮することにより自着火させる予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法において、排気弁を圧縮行程中に一時的に再啓開させ、かつ、該再啓開の弁閉時期を自在に変更することにより、有効圧縮比を、各運転領域で最適な自着火時期が得られる有効圧縮比に変更することを特徴とする予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法である。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関において、負荷が小さい運転領域では有効圧縮比を高め、負荷が大きくなるに従い有効圧縮比を低くするように前記再啓開の弁閉時期を制御することを特徴としている。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法において、機関回転数と負荷に応じて、各運転領域で最適な着火時期が得られる弁閉時期を書き込んだ前記再啓開の弁閉時期マップを作成し、機関運転中、機関回転数と負荷を検出し、前記弁閉時期マップに基づいて、再啓開の弁閉時期を変更することを特徴としている。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法において、燃料噴射開始時期を、前記再啓開の弁閉時期より遅くすることを特徴としている。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法において、機関にＥＧＲ装置を備え、ＥＧＲ率を検出し、ＥＧＲ率の高い運転領域では前記再啓開の弁閉時期を早くすることにより有効圧縮比を高め、ＥＧＲ率の低い運転領域では前記再啓開の弁閉時期を遅くすることにより有効圧縮比を低くすることを特徴としている。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法において、吸気温度を検出し、吸気温度が高い時には、前記再啓開の弁閉時期を遅くすることにより有効圧縮比を低め、吸気温度が低い時には前記再啓開の弁閉時期を早くすることを特徴としている。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法において、冷却水温度を検出し、冷却水温度が低い時には排気弁の前記再啓開の弁閉時期を早くすることにより有効圧縮比を高め、冷却水温度が高い時には前記再啓開の弁閉時期を遅くすることを特徴としている。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法において、異常燃焼検出センサーによりノッキング等異常燃焼を検出し、異常燃焼時には前記再啓開の弁閉時期を遅くして、異常燃焼が生じない範囲内の最も高い有効圧縮比に変更するように制御することを特徴としている。
【００１６】
請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法において、各運転領域において最高筒内圧を許容範囲内に抑える制限有効圧縮比マップを作成し、各運転領域において制限有効圧縮比を越えないように前記再啓開の閉時期を設定することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
［機関の概略］
図１〜図５は、本願発明による制御方法を実施するための予混合圧縮自着火式ディーゼル機関であり、図１はシリンダ部分並びに吸排気装置及び制御機器の配置を含む概略図である。この図１において、シリンダ１内にはピストン２が嵌合すると共に該ピストン２の頂壁とシリンダ１により燃焼室３が形成されており、燃焼室３の天井面には吸気孔５と排気孔６が開口すると共に電子制御式の燃料噴射弁７が配置されている。吸気孔５と排気孔６にはそれぞれ吸気弁８と排気弁９が配置され、両弁８、９はそれぞれ吸気用動弁装置１０と排気用可変型動弁装置１１に連動連結している。排気用可変型動弁装置１１は、圧縮行程中に排気弁９を一時的に再啓開するように構成されており、かつ、再啓開の弁閉時期を、弁閉時期変更手段により変更できるようになっている。
【００１８】
機関周辺機器として、エンジンコントローラ１５を備えると共に、過給機１６、インタークーラ１７及びＥＧＲ（排気ガス再循環）装置１８を備えている。前記吸気孔５は吸気通路２０、インタークーラ１７、吸気管２１、過給機１６のコンプレッサ部１６ａ、吸気管２２を介して外気に連通し、排気孔６は排気通路２５、過給機１６のタービン部１６ｂ及び排気管２６等を介して外気に連通している。排気通路２５と吸気通路２０との間をＥＧＲ装置１８のＥＧＲ管２８が連通しており、該ＥＧＲ管２８には開度調節可能なＥＧＲ弁３０が設けられている。
【００１９】
エンジンコントローラ１５には、ＣＰＵ、演算装置及び各種記憶装置と共に、噴射装置ＥＣＵ（噴射弁電子制御ユニット）３１と動弁装置ＥＣＵ（動弁装置制御ユニット）３２が含まれている。エンジンコントローラ１５の出力部には前記燃料噴射弁７及び動弁装置１０，１１が接続しており、燃料噴射弁７は噴射装置ＥＣＵ３１によって燃料噴射量及び噴射開始時期が制御され、動弁装置１０，１１は、上記動弁装置ＥＣＵ３２により、弁開閉時期が制御されるようになっている。特に排気用可変型動弁装置１１では、排気弁９の再啓開の弁閉時期が制御されるようになっている。
【００２０】
エンジンコントローラ１５の入力部には、機関回転数センサー３６及び負荷センサー３７が接続すると共に、必要に応じてＥＧＲ率認識装置３９、空気（吸気）流量センサー４０、吸気温度センサー４１、冷却水温度センサー４２及び異常燃焼検出センサー（ノックセンサー等）４３が接続している。
【００２１】
ＥＧＲ率認識装置３９はＥＧＲ弁３９に設けられ、ＥＧＲ率を検出（認識）するようになっている。負荷センサー３７は、アクセル装置４４あるいは燃料噴射ポンプの燃料増減機構等に設けられ、負荷として燃料噴射量を検出するようになっている。異常燃焼センサー４３は、シリンダ１の側壁あるいはシリンダ１内に配置され、シリンダ１の異常振動あるいは燃焼室内の異常圧力変動を検出することにより、ノッキング等の異常燃焼を検出するようになっている。空気流量センサー４０は過給機１６より上流側の吸気管２２に設けられ、吸気管２２内を流れる空気流量を検出するようになっている。機関回転数センサー３６はクランク軸又はクランク軸に固定されたギヤ４５あるいはホイール等に配置され、クランク軸回転数（機関回転数）を検出するようになっている。冷却水温度センサー４２はたとえばシリンダ周りの冷却水ジャケットに配置され、シリンダ周辺の冷却水温度を検出するようになっている。なお、該実施の形態では、上記のようにＥＧＲ装置を備えた内燃機関に適用しているが、ＥＧＲ装置を備えていない内燃機関の適用することも可能である。
【００２２】
［排気用可変型動弁装置の具体例］
図１の排気用可変型動弁装置１１は、前述のように再啓開可能に構成されると共に再啓開の弁閉時期が変更可能となっており、その一具体化例を図２〜図４により説明する。図２〜図４の排気用可変型動弁装置１１は複数のカムを利用した動弁装置であり、斜視図を示す図２において、排気弁用のカム軸５０には、排気行程用の主カム山５１を有する第１の排気カム５２と、再啓開用の可動カム山５３を有する第２の排気カム５４が設けられており、各排気カム５２，５４はそれぞれタペット６０、６１を介して同じ排気用ロッカーアーム６２に連結し、同時並行使用されるようになっている。第１の排気カム５２はカム軸５０と一体に形成されているが、第２の排気カム５３は、図３に示すようにカム軸５０と別体に形成され、回転方向にはカム軸５０と一体的に回転するが、軸芯方向に位置変更可能となるようにキーあるいはスプライン嵌合している。
【００２３】
図４は第２の排気カム５４の平面図であり、可動カム山５３は軸方向に沿って周方向の幅が変化しており、カム軸５０に対して第２の排気カム５４の軸方向位置を変更することにより、タペット６１が当接するカム山５３のプロフィルを変更し、再啓開の弁開時期及び弁閉時期を変更できるようになっている。該実施の形態では、再啓開の弁開時期は常に下死点付近となるように、カム山５３の回転方向の前端５３ａが軸芯方向と平行に設定され、一方、弁閉時期は任意に変化できるように、カム山５３の回転方向の後端５３ｂが軸心方向に対して傾斜している。なお、図４は可動カム山５３の形状を明確にするために可動カム山５３と第２排気カム５４のカム円との境を実線で示してあるが、実際は段を有することなく、滑らかに連続している。
【００２４】
図２〜図４に示す排気用可変型動弁装置１１は単なる一例であり、このような構造の他に、たとえば図２のように排気行程用の主カム山５１を有する第１の排気カム５２と、再啓開用の可動カム山５３を有する第２の排気カム５４を備えた排気用可変型動弁装置において、再啓開用の第２の排気カム５４をカム軸５０に対して回転方向に位置変更可能とし、再啓開用の可動カム山５３の位置を回転方向にずらすことにより、弁閉時期を変更可能とすることも可能である。なお、この場合は、可動カム山５３の回転方向前端の弁開時期に対応する部分は、第１の排気カム５２の主カム山５１と常にオーバーラップするように形成する。
【００２５】
また、排気行程用のカム山と再啓開用のカム山を一体に備えた排気カムを複数種類備え、各再啓開用のカム山の位相を異なるものとし、複数段式に切換える構造とすることも可能である。
【００２６】
［再啓開行程］
図５は機関の排気弁再啓開の様子を示しており、上段に示す吸気行程においては、吸気弁８が開いていることにより、吸気が吸気孔５から燃焼室３内に供給され、中段に示すピストン上昇過程の圧縮行程前期においては、吸気弁８が閉じられると共に下死点付近から排気弁９が一時的に再啓開し、燃焼室３内の圧縮圧力を排気孔６から抜いている。そして、下段に示す圧縮行程中期及び後期においては、再啓開の排気弁９も閉じ、実質的に吸気が圧縮される。すなわち、排気弁９を下死点付近の位置から一時的に再啓開することにより、圧縮開始時期を遅らせ、それにより有効圧縮比を下げることができるようになっている。
【００２７】
【燃焼の制御方法１】
燃焼の制御方法を説明する前提として、図７〜図１０により、排気弁９の再啓開における弁閉時期と筒内温度及び着火時期との関係（図７）、筒内温度と着火遅れとの関係（図８）、当量比（負荷）と自着火温度との関係（図９）並びに機関回転数及び負荷の変化に対する機関の有効運転領域（図１０）の関係を説明する。
【００２８】
［筒内温度と着火遅れとの関係］
図８は、筒内温度及び筒内圧力の変化と、着火遅れとの関係を示す仮実験のデータであり、変化曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３は、筒内圧力がＧ１＜Ｇ２＜Ｇ３の関係となっている。各変化曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３は、筒内温度が高くなる程自着火遅れが短くなることは共通の特性であるが、低圧力の曲線Ｇ１から曲線Ｇ２，Ｇ３へと圧力が高くなるに従い、着火遅れが短くなっていることが理解できる。
【００２９】
［排気弁の再啓開の弁閉時期と筒内温度及び着火時期との関係］
図７は、排気弁の再啓開（Ｂ０〜Ｂ３）の弁閉時期θｅｃが、たとえばθ０，θ１，θ２，θ３と変化した場合に、筒内温度（Ａ０〜Ａ３）がどのように変化するかを示す図である。縦軸は排気弁リフト量及び筒内温度であり、横軸はクランク角度である。
この図７により、再啓開の弁閉時期θｅｃがθ０からθ３へ順次遅れるにしたがい、有効圧縮比が低くなることにより、筒内温度の上昇が遅くなると共に着火時期が遅くなることが理解できる。
【００３０】
具体的に説明すると、図７には弁閉時期θｅｃがθ０からθ３まで変化する４つ再啓開ＢＯ，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を例として表示してあり、各再啓開Ｂ０〜Ｂ３の弁開時期は圧縮行程下死点（排気行程下死点）ＢＤＣ付近に揃っている。筒内温度の変化曲線Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３は、それぞれ再啓開Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に対応している。また、Ｔｆ１，Ｔｆ２，Ｔｆ３は当量比等の条件によって変化する自着火温度を示している。
【００３１】
この図７において、弁閉時期θｅｃが最も早い再啓開Ｂ０の場合は、長い実圧縮ストロークを確保することにより有効圧縮比が高くなり、それにより温度上昇が最も早く、かつ、筒内最高温度も最も高くなる。上記再啓開Ｂ０に対して、再啓開Ｂ１，Ｂ２及びＢ３のように弁閉時期θｅｃが遅くなるに従い、有効圧縮比が順次低下し、温度上昇が遅くなると共に筒内最高温度も下がってくる。
【００３２】
着火時期は、各筒内温度変化曲線Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３と自着火温度Ｔｆ１，Ｔｆ２，Ｔｆ３との交点から求められが、いずれの自着火温度Ｔｆ１，Ｔｆ２，Ｔｆ３の場合でも、最も早い弁閉時期θ０に対応する筒内変化曲線Ａ０における着火時期が最も早くなり、弁閉時期がθ１，θ２及びθ３と遅くなるに従い、それらに対応する変化曲線Ａ１，Ａ２及びＡ３の着火時期は順次遅くなる。すなわち、再啓開の弁閉時期θｅｃが早くなれば自着火時期も早くなり、弁閉時期θｅｃが遅くなれば自着火時期も遅くなる関係となっている。
【００３３】
［当量比（負荷）と筒内温度との関係］
図９は当量比と自着火温度との関係であり、燃焼室内の混合気の当量比が高くなるに従い、すなわち負荷が増大するに従い、自着火温度が下がる。すなわち、負荷（噴射量）が増加すると、自着火温度が下がり、それにより自着火時期が早くなることが分かる。
【００３４】
［機関回転数及び負荷の変化に対する有効運転領域］
図１０は当量比（負荷）及び機関回転数の変化に対する機関の有効運転領域を示しており、有効運転領域内を有効圧縮比の高、中、低の３つに区分けしてあるが、これは便宜上の表現であって、最適な自着火時期を確保するための有効圧縮比は実際には無段階で変更される。
【００３５】
この図１０において、前述のように当量比（負荷）が大きい場合には、自着火温度が下がる傾向にあるので、有効圧縮比を低くすることにより、自着火時期を遅らせ、上死点付近の最適な時期まで変更する。これにより最適な燃焼を得ることができる。一方、当量比（負荷）が小さい場合には、噴射量（又は当量比）が少なくなり、自着火温度が上がる傾向にあるので、有効圧縮比を高くすることにより、自着火時期を早めて上死点付近の最適な時期に変更する。これにより最適な燃焼を得ることができる。
【００３６】
［再啓開の弁閉時期マップ］
図１１は、図１のエンジンコントローラの記憶装置に書き込まれる再啓開の弁閉時期マップであり、図７〜図９で説明した関係を基に、負荷に関しては、負荷の増加に応じて弁閉時期を遅らせ、一方、機関回転数に関しては、機関回転数の増加に応じて弁閉時期を早め、いずれも各運転状況で、最適の有効圧縮比及び上死点付近の最適の着火時期が得られるように作成されている。
【００３７】
［再啓開の弁閉時期に対する燃料噴射時期の設定］
図１２は、横軸がクランク角度であり、縦軸は上段が筒内温度、中段が排気弁リフト量、下段が燃料噴射を示している。噴射時期の制御に関しては、図１のエンジンコントローラ１５の記憶装置に、負荷及び機関回転数に応じた噴射時期マップが書き込まれるが、これに加え、噴射時期マップにより求められた噴射開始時期θｉと弁閉時期マップにより求められた弁閉時期θｅｃを比較して、噴射時期θｉが弁閉時期１θｅｃより早い場合には、図１２のように噴射時期θｉを弁閉時期θｅｃよりもクランク角度αだけ遅らせるように制御するようにプログラムに組み込まれている。
【００３８】
［機関回転数と負荷による燃焼制御の概要］
図６は機関回転数Ｎと負荷（当量比）Ｌにより機関の燃焼制御行なう場合のフロー図であるが、この図６では、ＥＧＲ率、吸気温度、空気流量及び冷却水温度は考慮に入れていない。
【００３９】
図６のステップＳ１において、検出された機関回転数Ｎと負荷Ｌを入力し、ステップＳ２−１において、動弁装置ＥＣＵ３２（図１）により、弁閉時期マップ（図１１）に基づき、入力された機関回転数Ｎと負荷Ｎに応じた最適な着火時期が得られる弁閉時期θｅｃを求める。
【００４０】
一方、ステップＳ２−２では、噴射装置ＥＣＵ３１（図１）により、噴射時期マップに基づき、機関回転数と負荷に応じた最適な噴射時期を求める。具体的には噴射開始時期θｉと噴射終了時期が求められる。
【００４１】
ステップＳ２−１，２−２からそれぞれステップＳ３に進み、弁閉時期θｅｃと噴射開始時期θｉとを比較し、弁閉時期θｅｃが噴射開始時期θｉより早いか否かを判別し、ＹＥＳであれば、すなわち弁閉時期θｅｃが早ければ、ステップＳ４に進み、前記求められた弁閉時期θｅｃと噴射時期θｉとなるように、図１の燃料噴射弁７及び排気用可変動弁装置１１を制御する。
【００４２】
ステップＳ４においてＮＯであれば、すわなち弁閉時期θｅｃが噴射時期θより遅い場合には、そのままでは噴射燃焼が排気孔６を通って抜けるので、ステップＳ５において、まず噴射開始時期θｉと弁閉時期θｅｃとの差を求め、ステップＳ６において、弁閉時期θｅｃに対する適性な遅れ角αを求め、ステップＳ７において、噴射開始時期θｉを弁閉時期θｅｃよりも角度αだけ遅れた時期に変更し、図１の燃料噴射弁７及び排気用可変動弁装置１１を制御する。
【００４３】
再啓開の弁閉時期θｅｃの変更による有効圧縮比及び自着火の着火時期の制御について、図７により少し具体的に説明する。図７において、自着火温度がＴｆ２の運転状態において、上死点ＴＤＣ付近の最適な着火時期Ｅ２を得るためには、筒内温度変化曲線Ａ２に対応する筒内温度変化が必要となるが、該筒内温度変化曲線Ａ２を得るためには、弁閉時期θ２の再啓開Ｂ２で運転する必要がある。すなわち、機関回転数及び負荷の変化により自着火温度がＴｆ２で運転する場合、弁閉時期マップに基づき温度変化曲線Ａ２に対応する弁閉時期θ２が求められ、該弁閉時期θ２により排気用可変型動弁装置１１（図１）が駆動される。
【００４４】
上記筒内温度変化曲線Ａ２の状態から負荷が増加し、自着火温度がＴｆ３まで下がった場合には、自着火の着火時期は点Ｅ２から点Ｅ４まで移るが、過早着火により燃焼異常（ノッキング）を起こす可能性がでてくる。これに対し、弁閉時期マップに基づき、弁閉時期θｅｃをθ３まで遅らせることにより、有効圧縮比を下げ、筒内温度曲線をＡ３まで変化させると、自着火の着火時期は点Ｅ４から上死点付近の点Ｅ３に移り、最適な着火時期がえられる。
【００４５】
反対に筒内温度変化曲線Ａ２の状態から負荷が減少し、自着火温度がＴｆ１まで上がった場合には、自着火の着火時期は点Ｅ２から点Ｅ５に移るが、上死点よりも遅くなるために、着火条件が整わずに、失火の可能性がでてくる。これに対しては、弁閉時期マップに基づいて弁閉時期θｅｃをθ１まで早め、有効圧縮比を上げ、筒内温度変化曲線Ａ１まで変化させると、自着火の着火時期は上死点付近の点Ｅ１に移り、最適な着火時期がえられる。
【００４６】
このように機関回転数及び負荷の変化に応じて、排気弁９の再啓開の弁閉時期θｅｃを変更することにより、各運転領域において最適な有効圧縮比を実現し、これにより、自着火時期を、上死点又はその近傍の最適な時期に自在に制御することができる。
【００４７】
なお、図１２において、該実施の形態では、噴射時期は初期噴射Ｍ１と後期噴射Ｍ２の二回に分けられるが、初期噴射Ｍ１は概ね圧縮行程の中期から中前期辺りに設定される。
【００４８】
【制御方法２】
図１３〜図１５は、前記制御方法１に、ＥＧＲ率をパラメータの１つとして加えた制御方法である。基本的な制御は制御方法１で説明しているので、重複説明は省略し、ＥＧＲ率に関することのみ説明する。入力要素としては、図１のＥＧＲ率認識装置３９により認識されるＥＧＲ率と、空気流量センサー４０からの空気流量が加えられる。
【００４９】
図１４はＥＧＲ率と自着火の着火時期との関係であり、ＥＧＲ率が大きくなると燃焼室内の混合中のＣＯ２が増加し、それにより着火時期が遅くなり、着火性が低下することを示している。
【００５０】
図１５はＥＧＲ率と目標有効圧縮比との関係を示しており、上記のようにＥＧＲ率の増加により着火性が悪くなることから、着火性を向上させるためには、ＥＧＲ率が大きなるのに対応して、目標有効圧縮比を大きくする必要がある。そのためには、図１１のような弁閉時期マップにおいてＥＧＲ率の変化を加える場合に、ＥＧＲ率が高くなるのに対応させて、弁閉時期が早くなるように設定し、これにより有効圧縮比を高め、着火時期が上死点付近の最適な位置になるように作成する。
【００５１】
図１３はフロー図であり、ステップＳ１−１において機関回転数Ｎ及び負荷Ｌを入力し、ステップＳ１−２においてＥＧＲ率と空気流量を入力する。ステップＳ２において、噴射装置ＥＣＵにより、噴射量マップに基づき、入力された機関回転数ＮＬと負荷Ｌから最適な基本噴射量を求め、ステップＳ３に進む。該ステップＳ３では、上記基本噴射量と、ＥＧＲ率と、空気流量とから、混合気の当量比を求め、ステップＳ４に進む。
【００５２】
ステップＳ４では、上記求められた当量比から要求有効圧縮比を求め、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、求められた要求有効圧縮比から弁閉時期θｅｃを求め、ステップＳ６に進み、排気弁の再啓開の弁閉時期θｅｃを、上記求められた弁閉時期に変更する。
【００５３】
なお、ステップＳ３において、噴射量と空気流量とから仮の当量比を計算し、ステップＳ４において、破線で示すようにＥＧＲ率を加味し、混合気の実際の当量比を求めるフローとすることも可能である。
【００５４】
要するに、基本的には、ＥＧＲ率の増加に対しては、弁閉時期θｅｃを早くして有効圧縮比を高め、反対に、ＥＧＲ率の減少に対しては、弁閉時期θｅｃを遅らせて有効圧縮比を低くするように制御する。
【００５５】
【制御方法３】
図１６〜図１８は、前記制御方法２に、吸気（給気）温度をさらにパラメータの１つとして加えた制御方法である。吸気温度以外のパラメータによる制御方法は前記制御方法１及び２で説明しているので、重複説明は避け、ここでは吸気温度に関することのみ説明する。制御の入力要素としては、吸気温度センサーからの給気（吸気）温度が加えられる。
【００５６】
なお、図１は過給機１６を備えたディーゼル機関なので、該制御方法２の説明では、「吸気」、「吸気温度」及び「吸気温度センサー」を、それぞれ「給気」、「給気温度」及び「給気温度センサー」と称して説明する。
【００５７】
図１７は給気温度と着火時期との関係であり、給気温度が低くなるに従い、着火時期が遅くなり、着火性が低下することを示している。
【００５８】
図１８は給気温度と目標有効圧縮比との関係を示しており、上記のように給気温度の低下により着火性が悪くなることから、着火性を向上させるためには、給気温度が低下するのに対応して、目標有効圧縮比を大きくさせる必要がある。そのためには、図１１の弁閉時期マップにおいて給気温度の変化を加味する場合に、給気温度が低くなるのに対応させて、弁閉時期θｅｃが早くなるように設定し、自着火の着火時期が上死点付近の最適な位置になるようにする。
【００５９】
図１６はフロー図であり、ステップＳ１−１，Ｓ１−２，Ｓ２及びＳ３は図１３と同様であり、重複説明は省略する。ステップＳ１−３においては、機関回転数等と並行して給気温度を入力する。ステップＳ４において、ステップＳ３で求められた当量比と給気温度とから要求有効圧縮比を求め、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、求められた要求有効圧縮比から弁閉時期θｅｃを求め、ステップＳ６に進み、排気弁の再啓開の閉時期θｅｃを上記求められた弁閉時期に変更する。
【００６０】
要するに、基本的には、給気（吸気）温度の低下に対しては、弁閉時期θｅｃを早くして有効圧縮比を高め、反対に、吸気温度の上昇に対しては、弁閉時期θｅｃを遅らせて有効圧縮比を低くするように制御する。
【００６１】
【制御方法４】
図１９〜図２１は、前記制御方法２に、冷却水温度をさらにパラメータの１つとして加えた制御方法である。冷却水温度以外のパラメータによる制御方法は制御方法１及び２で説明しているので、ここでは冷却水温度に関することのみ説明する。制御の入力要素としては、図１の冷却水温度センサー４２からの冷却水温度が加えられる。
【００６２】
図２０は冷却水温度と自着火時期との関係であり、冷却水温度が低くなるに従い、シリンダの温度が低下することから、着火時期が遅くなり、着火性が低下することを示している。
【００６３】
図２１は冷却水温度と目標有効圧縮比との関係を示しており、上記のように冷却水温度の低下により着火性が悪くなることから、着火性を向上させるためには、冷却水温度が低下するのに対応して、目標有効圧縮比を大きくさせる必要がある。そのためには、図１１のような弁閉時期マップにおいて冷却水温度の変化を加味する場合に、冷却水温度が低くなるのに対応させて、弁閉時期θｅｃを早くするように設定し、自着火の着火時期θｅｃが上死点付近の最適な位置になるようにする。
【００６４】
図１９はフロー図であり、ステップＳ１−１，Ｓ１−２，Ｓ２及びＳ３は図１３と同様であり、説明は省略する。ステップＳ１−３においては、機関回転数等と並行して冷却水温度を入力する。ステップＳ４において、ステップＳ３で求められた当量比と冷却水温度から要求有効圧縮比を求め、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、求められた要求有効圧縮比から弁閉時期θｅｃを求め、ステップＳ６に進み、弁閉時期θｅｃを上記求められた弁閉時期に変更する。
【００６５】
要するに、基本的には、冷却水温度の低下に対しては、弁閉時期θｅｃを早くして有効圧縮比を高め、反対に、冷却水温度の上昇に対しては、、弁閉時期θｅｃを遅らせて有効圧縮比を低くするように制御する。
【００６６】
【制御方法５】
図２２及び図２３は、前記制御方法１〜４等に加え、過早着火によるノッキングあるいは急激な圧力上昇による燃焼騒音をより確実に防止するため、図１の異常燃焼センサー４３による異常燃焼の検出をパラメータの１つとして加えた制御方法である。異常燃焼センサー４３としては、具体的にはノックセンサーを用いる。なお、ノックセンサー以外のパラメータによる制御方法は制御方法１〜４で説明しているので、ここではノックセンサーに関することのみ説明する。
【００６７】
図２３は着火特性を示しており、横軸は有効圧縮比、縦軸は着火時期、Ｙは自着火の着火特性線である。斜線で示す領域は、許容着火時期限界Ｈ１と、許容有効圧縮比限界Ｈ２で囲まれた有効運転領域（燃焼許容領域）であり、着火特性が有効運転領域から外れると、過早着火によるノッキングが起こる。
【００６８】
上記のように着火特性が有効運転領域から外れた場合に、同領域内に戻すように排気弁の再啓開の弁閉時期θｅｃを遅らせ、有効圧縮比を下げるように制御する。ただし、有効圧縮比を下げる場合には、有効運転領域内で可能な限り高い有効圧縮比が確保できるように有効圧縮比を下げる。
【００６９】
具体的には、着火特性線Ｙ上の有効運転領域外の点Ｘ１で運転している場合に、ノッキングが生じ、異常燃焼センサー４３によりそれを検出した場合には、有効運転領域の限界線Ｈ１、Ｈ２の間近の点Ｘ２近傍に有効圧縮比が下がるように、弁閉時期を遅らせる。
【００７０】
図２２はフロー図であり、ステップＳ１〜Ｓ６までは、前記制御方法２〜５を組み合わせたものであり、説明は省略する。ステップＳ７において、異常燃焼検出センサーからの異常検知信号が入力されているか否かを判別し、異常燃焼が生じていない場合、すなわちＮＯの場合は、そのまま制御は終了する。ステップＳ７において、ＹＥＳの場合、すなわち過早着火によりノッキングが生じ始めた場合は、ステップＳ８に進み、弁閉時期θｅｃを所定角度δθを遅らせ、ステップＳ６に戻る。
【００７１】
要するに、機関回転数、負荷、吸気温度及びＥＧＲ等の検出に基づいて燃焼を制御しても、なおかつノッキング等の異常燃焼が発生する場合に、このように異常燃焼センサーによる制御によって、異常燃焼を解消する。
【００７２】
なお、異常燃焼センサーとしては、着火遅れによる失火等を検出するセンサーを用いることもでき、この場合は、異常燃焼検出時、再啓開の弁閉時期を早めることにより、有効圧縮比を上げ、着火時期を早めることになる。
【００７３】
【制御方法６】
図２４及び図２５は、前記制御方法１〜４に、各運転領域での筒内圧が許容最高筒内圧を越えないように抑制する制御を加えたものである。各運転領域で許容最高筒内圧に対応する制限有効圧縮比マップを作成し、排気用可変型動弁装置への指示信号が、制限有効圧縮比マップの値を越えないように、再啓開の弁閉時期を遅らせ、筒内圧力が許容最高筒内圧力を越えないように制御する。
【００７４】
図２５は、縦軸が排気弁リフトと筒内圧、横軸がクランク角であり、この図２５において、ある運転領域の許容筒内圧がＰａの時、弁閉時期がθ１の再啓開Ｂ１で運転していると、筒内圧Ｐ１は許容最高筒内圧Ｐａを越えることになり、シリンダに影響を与える。
【００７５】
これに対して、最高有効圧縮比マップに基づいて弁閉時期をθ２まで遅くすることにより、有効圧縮比を下げ、許容最高筒内圧Ｐａより低い筒内圧Ｐ２まで下げる。有効圧縮比を下げる度合は、筒内圧Ｐ２の最高点が許容最高筒内Ｐａ付近で停まるように設定する。すなわち、許容最高筒内圧Ｐａの領域内で、できるだけ高い筒内圧を得られるように設定する。
【００７６】
図２４はフロー図であり、ステップＳ１〜Ｓ４までは、前記制御方法２〜４を組み合わせたものなので、説明は省略する。ステップＳ５において、要求有効圧縮比が最高有効圧縮比マップの最高有効圧縮比の値より小さいか否かを判別し、ＹＥＳ、すなわち小さければステップＳ６に進み、要求有効圧縮比に対応する弁閉時期θｅｃを求め、求めた弁閉時期θｅｃ及び噴射時期θｉにより機関を駆動する。
【００７７】
上記ステップＳ５においてＮＯの場合、すなわち要求有効圧縮比が最高有効圧縮比マップの最高有効圧縮比を越える場合は、ステップＳ７に進み、最高有効圧縮比より小さくなるように要求有効圧縮比を補正し、再びステップＳ５に戻る。
【００７８】
要するに、機関回転数、負荷、吸気温度及びＥＧＲ等の検出に基づいて燃焼を制御しても、なおかつ筒内圧が許容最高筒内圧を上回る場合には、弁閉時期θｅｃを遅らせることにより有効圧縮比を下げ、筒内圧の過上昇によるシリンダへの影響を防ぐ。
【００７９】
【その他の発明の実施の形態】
本願発明は、ガス、ガソリン直噴式内燃機関にも適用可能である。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように本願発明は、燃焼室内で空気と燃料を予め混合し、圧縮することにより自着火させる予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法において、排気弁を圧縮行程中に一時的に再啓開させ、かつ、該再啓開の弁閉時期を自在に変更することにより、有効圧縮比を、各運転領域で最適な自着火時期が得られる有効圧縮比に変更するようにしているので、次のような利点がある。
【００８１】
（１）従来、制御が困難であった予混合圧縮自着火式内燃機関の着火時期を、排気弁の再啓開の変更調節、特にその弁閉時期を変更調節することにより制御するようにしている、各運転領域で最適な有効圧縮比と共に最適な自着火時期を簡単かつ的確に制御でき、これにより、過早着火の抑制（熱効率の低下阻止）、燃焼騒音の低減並びに広い運転範囲での低噴射の燃焼が容易に実現可能となる。また、着火遅れによる失火も効果的に防ぐことができる。
【００８２】
（２）上記（１）の構成に加え、負荷が小さい運転領域では有効圧縮比を高め、負荷が大きくなるに従い有効圧縮比を低くするように排気弁再啓開の弁閉時期を制御するようにすると、負荷減少時においては着火遅れを補正して、良好な着火性を確保でき、また、負荷増大時には過早着火を抑制し、ノッキング等を効果的に防止できる。
【００８３】
（３）上記（１）の構成に加え、機関回転数と負荷により、排気弁の再啓開の閉時期マップを形成し、該排気弁の再啓開の弁閉時期マップにより、排気弁の弁閉時期を変更するようにすると、電子制御機関でセンシングが一般的になっている機械回転数と負荷をパラメータとして利用していることにより、制御ロジックが簡素になり、簡便に排気弁の動作を定義することができる。
【００８４】
（４）上記（１）の構成に加え、燃料の噴射開始時期を、上記再啓開の弁閉時期より遅くするようにすると、再啓開時に噴射燃焼を排気孔から抜けるのを防止でき、燃焼の浪費を防ぐことができる。
【００８５】
（５）上記（１）の構成に加え、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、ＥＧＲ率の高い運転領域では排気弁の再啓開の弁閉時期を早くすることにより有効圧縮比を高め、ＥＧＲ率の低い運転領域では排気弁の再啓開の弁閉時期を遅くすることにより有効圧縮比を低くするようにしていると、ＥＧＲ率の変更に伴って混合気の着火性（自着火時期）が変化しても、最適な着火時期に補正することができる。
【００８６】
（６）上記（１）の構成に加え、吸気（給気）温度を検出し、吸気温度が高い時には、排気弁の再啓開の弁閉時期を遅くすることにより有効圧縮比を低め、吸気温度が低い時には再啓開の弁閉時期を早くするようにしていると、吸気温度の変化に伴って混合気の着火性が変化しても、最適な着火時期にそれを補正することができる。
【００８７】
（７）上記（１）の構成に加え、冷却水温度を検出し、冷却水温度が低い時には排気弁の再啓開の弁閉時期を早くすることにより有効圧縮比を高め、冷却水温度が高い時には再啓開の弁閉時期を遅くするようにすると、冷却水温度の変化に伴って混合気の着火性が変化しても、最適な着火時期にそれを補正することができる。
【００８８】
（８）上記（１）の構成に加え、ノックセンサーによりノックを検出した時には、有効圧縮比を下げると共に、ノック限界内で最も高い有効圧縮比を維持するようにすると、運転条件の大きな変化により、仮に前記各制御下において過早着火によるノッキング等が生じても、ノッキングが生じない範囲まで補正できると共に、ノックが生じない状態で熱効率を高く維持することができる。
【００８９】
（９）各運転領域において最高筒内圧を許容範囲内に抑える制限有効圧縮比マップを作成し、各運転領域において制限有効圧縮比を越えないように排気弁の再啓開の弁閉時期を設定するようにしていると、仮に前記各制御下において過大な筒内圧が発生する状況になっても、簡単かつ速やかに筒内圧を許容最高筒内圧より低く補正でき、シリンダ等への影響を無くすことができる。
【００９０】
（１０）なお、排気弁を圧縮行程において再啓開する効果としては、過給機を備えた内燃機関において、過給機を性能アップして過給圧を増加させても、排出される給気が給気ポートから燃焼室に入る加圧給気の抵抗となることはなく、給気流量を充分に確保できると共に、過給機の負担が軽減され、過給機効率が向上する。また、給気弁の遅閉じ方法に比べ、給気ポートにおける給気温度の上昇を防ぐことができ、充填効率の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明による制御方法を実施する予混合圧縮自着火式ディーゼル機関の概略図である。
【図２】排気用可変型動弁装置の斜視図である。
【図３】図２の排気カムの軸芯と直角な切断面での断面図であって、両排気カムを並列に記載した図である。
【図４】図２の可変型動弁装置の再啓開用カムの平面図である。
【図５】再啓開を行なうピストン行程を示すシリンダの断面略図である。
【図６】本願発明による第１の制御方法を示すフロー図である。
【図７】排気弁再啓開と筒内温度の変化との関係を示す図である。
【図８】筒内温度と着火遅れの関係を示す図である。
【図９】当量比と自着火温度との関係を示す図である。
【図１０】機関回転数及び負荷の変化に対する有効運転領域を示す図である。
【図１１】弁閉時期マップを示す図である。
【図１２】再啓開の弁閉時期と噴射開始時期との関係を示す図である。
【図１３】本願発明による制御方法２を示すフロー図である。
【図１４】ＥＧＲ率と着火時期との関係を示す図である。
【図１５】ＥＧＲ率と目標有効圧縮比との関係を示す図である。
【図１６】本願発明による制御方法３を示すフロー図である。
【図１７】吸気温度と着火時期の関係を示す図である。
【図１８】吸気温度と目標有効圧縮比との関係を示す図である。
【図１９】本願発明による制御方法４を示すフロー図である。
【図２０】冷却水温度と着火時期の関係を示す図である。
【図２１】冷却水温度と目標有効圧縮比との関係を示す図である。
【図２２】本願発明による制御方法６を示すフロー図である。
【図２３】着火特性と有効運転領域との関係を示す図である。
【図２４】本願発明による制御方法７を示すフロー図である。
【図２５】筒内圧の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ シリンダ
２ ピストン
３ 燃焼室
５ 吸気孔
６ 排気孔
７ 燃料噴射弁
８ 吸気弁
９ 排気弁
１１ 排気用可変型動弁装置
１５ エンジンコントローラ
２２ 吸気管
３１ 噴射装置ＥＣＵ
３２ 動弁装置ＥＣＵ
３６ 回転数検出センサー
３７ 負荷検出センサー
４０ 空気流量検出センサー
４１ 吸気（給気）温度センサー
４２ 冷却水温度センサー
４３ 異常燃焼検出センサー（ノックセンサー）

Claims (9)

1. 燃焼室内で空気と燃料を予め混合し、圧縮することにより自着火させる予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法において、排気弁を圧縮行程中に一時的に再啓開させ、かつ、該再啓開の弁閉時期を自在に変更することにより、有効圧縮比を、各運転領域で最適な自着火時期が得られる有効圧縮比に変更することを特徴とする予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法。
2. 負荷が小さい運転領域では有効圧縮比を高め、負荷が大きくなるに従い有効圧縮比を低くするように前記再啓開の弁閉時期を制御することを特徴とする請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法。
3. 機関回転数と負荷に応じて、各運転領域で最適な着火時期が得られる弁閉時期を書き込んだ前記再啓開の弁閉時期マップを作成し、機関運転中、機関回転数と負荷を検出し、前記弁閉時期マップに基づいて、再啓開の弁閉時期を変更することを特徴とする請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法。
4. 燃料噴射開始時期を、前記再啓開の弁閉時期より遅くすることを特徴とする請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法。
5. 機関にＥＧＲ装置を備え、ＥＧＲ率を検出し、ＥＧＲ率の高い運転領域では前記再啓開の弁閉時期を早くすることにより有効圧縮比を高め、ＥＧＲ率の低い運転領域では前記再啓開の弁閉時期を遅くすることにより有効圧縮比を低くすることを特徴とする請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法。
6. 吸気温度を検出し、吸気温度が高い時には、前記再啓開の弁閉時期を遅くすることにより有効圧縮比を低め、吸気温度が低い時には前記再啓開の弁閉時期を早くすることを特徴する請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法。
7. 冷却水温度を検出し、冷却水温度が低い時には排気弁の前記再啓開の弁閉時期を早くすることにより有効圧縮比を高め、冷却水温度が高い時には前記再啓開の弁閉時期を遅くすることを特徴する請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法。
8. 異常燃焼検出センサーによりノッキング等異常燃焼を検出し、異常燃焼時には前記再啓開の弁閉時期を遅くして、異常燃焼が生じない範囲内の最も高い有効圧縮比に変更するように制御することを特徴する請求項１〜７のいずれかに記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法。
9. 各運転領域において最高筒内圧を許容範囲内に抑える制限有効圧縮比マップを作成し、各運転領域において制限有効圧縮比を越えないように前記再啓開の閉時期を設定することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法。

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