JP2005016361A - Controller of spark ignition engine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式エンジンの制御装置に関し、より詳しくは多気筒のエンジンにおいて燃費改善およびエミッション向上のために各気筒の燃焼状態を制御する制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、火花点火式エンジンにおいて、各気筒内の混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせることにより燃費改善を図る技術が知られており、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、低回転低負荷の運転領域にある場合等に、上記燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼を行わるせことにより、超リーン燃焼を実現するようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
このようなエンジンにおいては、排気ガス浄化用の触媒として通常の三元触媒(HC,COおよびNOxに対して理論空燃比付近で浄化性能の高い触媒)だけではリーン運転時にNOxに対して充分な浄化性能が得られないため、下記特許文献1にも示されるように、酸素過剰雰囲気でNOxを吸着して酸素濃度低下雰囲気でNOxの離脱、還元を行うリーンNOx触媒を設けている。そして、このようなリーンNOx触媒を用いる場合、リーン運転中にリーンNOx触媒のNOx吸着量が増大したときは、例えば特許文献1に示されるように主燃焼以外に膨張行程中に追加燃料を燃焼室内に噴射して排気ガスの空燃比をリッチ化するとともにCO等を生成し、これによってNOxの離脱、還元を促進するようにしている。
【0004】
【特許文献1】
特開平10−29836号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のリーン運転を行うエンジンでは、リーン運転中のNOx浄化性能を確保するために、大形で高価なリーンNOx触媒を排気通路に設ける必要があり、コスト的に不利である。また、上記リーンNOx触媒の浄化性能を維持するためには、上述のようにNOx吸着量の増大時に、NOxをリーンNOx触媒から離脱させて効果的に還元するため、追加燃料の供給等による一時的な空燃比のリッチ化を頻繁に行う必要がある。さらに、使用燃料が硫黄分を多く含む場合には、上記リーンNOx触媒の硫黄被毒を解消するため、触媒の加熱処理および還元材供給等のリジェネレーション処理を所定期間に亘って行わなければならず、これらによって燃費改善効果が低下する。しかも、混合気の空燃比がある程度以上にリーンになると、燃焼速度が遅くなりすぎて、その終期に近い燃焼が仕事に寄与しなくなるため、成層燃焼でのリーン化による燃費改善には限界があった。
【0006】
なお、燃費改善のための別の手法として、圧縮自己着火が研究されており、この圧縮自己着火は、ディーゼルエンジンと同様に圧縮行程終期に燃焼室内を高温・高圧にして燃料を自己着火させるようにするものであり、空燃比が顕著なリーン状態や多量のEGRが導入されている状態でも、このような圧縮自己着火が行われれば燃焼室全体が一気に燃焼するため、仕事に寄与しない遅い燃焼が避けられて燃費改善に有利となる。
【0007】
しかし、通常の火花点火式ガソリンエンジンでは、燃焼のために強制点火が必要であって、圧縮上死点付近での燃焼室内の温度、圧力が圧縮自己着火を生じさせる程度までには高められず、圧縮自己着火を行わせるには燃焼室内の温度または圧力を大幅に高めるための格別の工夫が必要となるが、従来、高負荷領域におけるノッキング、つまり燃焼室内で火炎が伝播する前に混合気が自然着火することによる異常燃焼を避けつつ、燃費改善が要求される部分負荷運転領域で圧縮自己着火を生じさせる程度まで燃焼室内の温度または圧力を高めることが困難であった。
【0008】
そこで、本出願人は、エンジンの低高低回転領域で、排気行程と吸気行程とが重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒の既燃ガスをそのまま吸気行程にある後続気筒に導入させる2気筒接続状態とし、先行気筒の空燃比を理論空燃比よりもリーン空燃比として燃焼させるとともに、後続気筒では、先行気筒から排出されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して理論空燃比とした状態で圧縮自己着火による燃焼を行わせることにより、燃費の改善効果が得られるようにしつつ、リーンNOx触媒を必要とすることなく排気浄化性能を向上させるようにした火花点火式エンジンの制御装置に関する技術を出願している(特願2002−024548号)。
【0009】
本発明は、このような技術に基づき、排気浄化性能を確保しつつ、簡単な構成でさらに効果的に燃費を改善することができる火花点火式エンジンの制御装置を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、各気筒内に燃料を供給する燃料噴射弁が吸気導入経路に設けられるとともに、各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもつように設定された多気筒の火花点火式エンジンの制御装置であって、エンジンの部分負荷運転領域で、排気行程と吸気行程とが重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出される既燃ガスが排気通路に導かれるような2気筒接続状態としつつ、先行気筒の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比として燃焼を行わせ、この先行気筒から後続気筒に導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して後続気筒の燃焼を行わせる特殊運転モードの制御を実行する運転モード制御手段と、上記特殊運転モードの制御が実行される運転領域の少なくとも一部で先行気筒内の温度を上昇させることにより後続気筒とともに先行気筒を圧縮自己着火させる筒内温度上昇手段と、この先行気筒を圧縮自己着火させることが困難な運転領域では先行気筒内の混合気を強制着火させるように制御する点火制御手段と、上記先行気筒を圧縮自己着火させる運転領域から先行気筒を強制点火させる運転領域への移行時に、先行気筒の空燃比をリーン側に急変させるように制御する空燃比制御手段とを備えたものである。
【0011】
この発明によると、上記特殊運転モードとして燃焼が行われる場合に、上記先行気筒ではリーン燃焼による熱効率向上およびポンピングロス低減による燃費改善効果が得られ、後続気筒ではポンピングロス低減による燃費改善効果が得られる。また、特殊運転モードの燃焼が行われる特定運転領域の少なくとも一部で先行気筒の筒内温度を上昇させて先行気筒および後続気筒の両方を圧縮自己着火させる制御が上記筒内温度上昇手段において実行されることにより、NOxの発生が効果的に抑制されるとともに、顕著な燃費の改善効果が得られることになる。
そして、先行気筒を圧縮自己着火させる運転領域から先行気筒を強制点火させる運転領域への移行時には、先行気筒の空燃比をリーン側に急変させる制御が実行されることにより、先行気筒の燃焼時に発生するNOx量が効果的に低減されることになる。
【0012】
また、請求項2に係る発明は、上記請求項1記載の火花点火式エンジンの制御装置において、先行気筒を圧縮自己着火させる運転領域では先行気筒の空気過剰率を2〜3の範囲内とし、先行気筒を強制点火させる運転領域では先行気筒の空気過剰率を3以上とするように空燃比を制御するものである。
【0013】
上記構成によれば、先行気筒の筒内温度を上昇させて先行気筒および後続気筒の両方を圧縮自己着火させる運転領域では、先行気筒に対する燃料の噴射量が所定値に確保されることにより、先行気筒の圧縮自己着火が適正に行われ、かつ先行気筒を強制点火させる領域では、先行気筒の空燃比が顕著なリーン状態に設定されることにより、NOxの発生が効果的に抑制されるとともに、顕著な燃費の改善効果が得られることになる。
【0014】
また、請求項3に係る発明は、上記請求項1または2に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、先行気筒の温度を上昇させることにより先行気筒を圧縮自己着火させる運転領域よりも高負荷側領域では、先行気筒の空気過剰率を2〜3の範囲内とするように空燃比を制御するものである。
【0015】
上記構成によれば、先行気筒を圧縮自己着火させる運転領域よりも高負荷側領域では、先行気筒の空気過剰率が2〜3の範囲内に設定されて多量の既燃ガスが後続気筒に導入されることにより、後続気筒におけるNOxの発生が効果的に抑制されることになる。
【0016】
また、請求項4に係る発明は、上記請求項1〜3の何れか1項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、圧縮上死点前の上死点近傍で先行気筒内の混合気を点火して先行気筒の圧縮自己着火を促進する着火アシスト手段を備えたものである。
【0017】
上記構成によれば、上記筒内温度上昇手段によって先行気筒の筒内温度を上昇させた状態で、先行気筒内の混合気を点火して先行気筒内の圧力を瞬時に高めることにより、適正時期に先行気筒内を確実に圧縮自己着火させることが可能となる。
【0018】
また、請求項5に係る発明は、上記請求項1〜4の何れか1項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、先行気筒を圧縮自己着火させる運転領域から先行気筒を強制点火させる運転領域への移行時に、後続気筒に対する燃料噴射量を増大させる燃料噴射制御手段を備えたものである。
【0019】
上記構成によれば、先行気筒を圧縮自己着火させる運転領域から先行気筒を強制点火させる運転領域への移行時には、後続気筒に対する燃料噴射量が充分な値に設定されることにより、先行気筒の空燃比が顕著なリーン状態に設定されることによるエンジンの出力低下が後続気筒の燃焼エネルギーにより補われることになる。
【0020】
また、請求項6に係る発明は、上記請求項1〜5の何れか1項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、弁開閉制御手段により先行気筒の排気弁を早閉じして先行気筒内の温度を上昇させるように構成したものである。
【0021】
上記構成によれば、特殊運転モードの燃焼が行われる領域の特定運転領域で、先行気筒の排気弁を早閉じして筒内温度を上昇させることにより、先行気筒を効果的に圧縮自己着火させることが可能となる。
【0022】
また、請求項7に係る発明は、上記請求項1〜6の何れか1項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、先行気筒および後続気筒を圧縮自己着火させる運転領域では、後続気筒の空燃比をややリーンに設定するものである。
【0023】
上記構成によれば、先行気筒および後続気筒を圧縮自己着火させることによりNOxの発生量を効果的に低減することができるため、後続気筒の空燃比をややリーンに設定した場合においても、大形のNOx吸着触媒を設けたり、NOx吸着触媒に吸着されたNOxを頻繁に離脱、還元させたりすることなく、排気浄化性能を維持することが可能となる。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施形態によるエンジンの概略構成を示し、図2はエンジン本体1の一つの気筒とそれに対して設けられた吸・排気弁等の構造を概略的に示している。これらの図において、エンジン本体1は複数の気筒を有し、図示の実施形態では4つの気筒2A〜2Dを有している。各気筒2A〜2Dにはピストン3が嵌挿され、ピストン3の上方に燃焼室4が形成されている。
【0025】
各気筒2A〜2Dに設けられた燃焼室4の頂部には点火プラグ7が装備され、そのプラグ先端が燃焼室4内に臨んでいる。この点火プラグ7には、電子制御による点火時期のコントロールが可能な点火回路8が接続されている。
【0026】
また、各気筒2A〜2Dの燃焼室4に対して吸気ポート11、11a,11bおよび排気ポート12、12a,12bが開口し、これらのポートに吸気通路15、排気通路20等が接続されるとともに、各ポートが吸気弁31、31a,31bおよび排気弁32、32a,32bにより開閉されるようになっている。
【0027】
そして、吸気、圧縮、膨張および排気の各行程からなる燃焼サイクルが各気筒2A〜2D毎に所定の位相差をもって行われるように構成され、4気筒エンジンの場合に、気筒列方向の一端側から1番気筒2A、2番気筒2B、3番気筒2Cおよび4番気筒2Dと呼ぶと、図3に示すように、上記燃焼サイクルが1番気筒2A、3番気筒2C、4番気筒2D、2番気筒2Bの順にクランク角で180°ずつの位相差をもって行われるようになっている。なお、図3において、EXは排気行程、INは吸気行程であり、また、Fは燃料噴射、Sは強制点火を表し、星マークは圧縮自己着火が行われることを表している。
【0028】
排気行程と吸気行程とが重なる一対の気筒間には、排気行程と吸気行程とが重なるときの排気行程側の気筒(当明細書ではこれを先行気筒と呼ぶ)から吸気行程側の気筒(当明細書ではこれを後続気筒と呼ぶ)へ既燃ガスをそのまま導くことができるように、気筒間ガス通路22が設けられている。当実施形態の4気筒エンジンでは、図3に示すように1番気筒2Aの排気行程(EX)と2番気筒2Bの吸気行程(IN)とが重なり、また4番気筒2Dの排気行程(EX)と3番気筒2Cの吸気行程(IN)とが重なるので、1番気筒2Aおよび2番気筒2Bと、4番気筒2Dおよび3番気筒2Cとがそれぞれ一対をなし、1番気筒2Aおよび4番気筒2Dが先行気筒となるとともに、2番気筒2Bおよび3番気筒2Cが後続気筒となる。
【0029】
各気筒2A〜2Dの吸・排気ポートと、これに接続される吸気通路15、排気通路20および気筒間ガス通路22は、具体的には次のように構成されている。すなわち、先行気筒である1番気筒2Aおよび4番気筒2Dには、それぞれ新気を導入するための吸気ポート11と、既燃ガス(排気ガス)を排気通路20に送り出すための第1排気ポート12aと、既燃ガスを後続気筒に導出するための第2排気ポート12bとが配設されている。また、後続気筒である2番気筒2Bおよび3番気筒2Cには、それぞれ新気を導入するための第1吸気ポート11aと、先行気筒からの既燃ガスを導入するための第2吸気ポート11bと、既燃ガスを排気通路20に送り出すための排気ポート12とが配設されている。
【0030】
図1に示す例では、1番,4番気筒(先行気筒)2A,2Dにおける吸気ポート11および2番,3番気筒(後続気筒)2B,2Cにおける第1吸気ポート11aが、1気筒当り2個ずつ、燃焼室の左半部側に並列的に設けられる一方、1番,4番気筒2A,2D(先行気筒)における第1排気ポート12aおよび第2排気ポート12bならびに2番,3番気筒(後続気筒)2B,2Cにおける第2吸気ポート11bおよび排気ポート12が、燃焼室の右半部側に並列的に設けられている。
【0031】
1番,4番気筒2A,2Dにおける吸気ポート11および2番,3番気筒2B,2Cにおける第1吸気ポート11aには、吸気通路15における気筒別の分岐吸気通路16の下流端が接続されている。各分岐吸気通路16の下流端近傍には、共通の軸を介して互いに連動する多連スロットル弁17が設けられており、この多連スロットル弁17は制御信号に応じてアクチュエータ18により駆動されることにより、吸入空気量を調節するようになっている。なお、吸気通路15における集合部よりも上流の共通吸気通路には、吸気流量を検出するエアフローセンサ19が設けられている。
【0032】
また、上記吸気ポート11および第1吸気ポート11aからなる吸気導入経路には、各ポートの合流部に燃料を噴射する燃料噴射弁9が設けられている。この燃料噴射弁9は、図略のニードル弁およびソレノイドを内蔵し、後述の燃料噴射制御手段からパルス信号が入力されることにより、そのパルス入力時期にパルス幅に対応する時間だけ駆動されて開弁し、その開弁時間に応じた量の燃料を噴射するように構成されている。なお、この燃料噴射弁9には、図外の燃料ポンプおよび燃料供給通路等を介して、所定の圧力で燃料が供給されるように構成されている。
【0033】
1番,4番気筒2A,2Dにおける第1排気ポート12aおよび2番,3番気筒2B,2Cにおける排気ポート12には、排気通路20における気筒別の分岐排気通路21の上流端が接続されている。また、1番気筒2Aと2番気筒2Bとの間および3番気筒2Cと4番気筒2Dとの間には、それぞれ気筒間ガス通路22が設けられている。そして、先行気筒である1番,4番気筒2A,2Dの第2排気ポート12bに、上記気筒間ガス通路22の上流端が接続されるとともに、後続気筒である2番,3番気筒2B,2Cの第2吸気ポート11bに、上記気筒間ガス通路22の下流端が接続されている。
【0034】
上記気筒間ガス通路22は、互いに隣接する気筒間を接続する比較的短い通路であり、先行気筒2A,2Dから排出されるガスがこの通路22を通る間における放熱量が比較的小さく抑えられるようになっている。また、上記気筒間ガス通路22には、排気ガス中における酸素濃度の変化(空燃比の変化)に対応して出力がリニアに変化するリニアO2センサ25が設けられている。
【0035】
排気通路20における分岐排気通路21の下流の集合部には排気ガス中の酸素濃度を検出することにより空燃比を検出するO2センサ23が設けられている。
さらに、このO2センサ23の設置部の下流側における排気通路20には、排気浄化用の三元触媒24が設けられている。この三元触媒24は、一般に知られているように、排気ガスの空燃比が理論空燃比(つまり空気過剰率λ=1)付近にあるときにHC,COおよびNOxに対して高い浄化性能を示す触媒である。
【0036】
各気筒2A〜2Dの吸・排気ポートを開閉する吸・排気弁とこれらに対する動弁機構は、次のようになっている。
【0037】
1番,4番気筒(先行気筒)2A,2Dにおける吸気ポート11、第1排気ポート12aおよび第2排気ポート12bにはそれぞれ吸気弁31、第1排気弁32aおよび第2排気弁32bが設けられ、また、2番,3番気筒(後続気筒)2B,2Cにおける第1吸気ポート11a、第2吸気ポート11bおよび排気ポート12にはそれぞれ第1吸気弁31a、第2吸気弁31bおよび排気弁32が設けられている。そして、各気筒2A〜2Dの吸気行程や排気行程が上述のような所定の位相差をもって行われるように、これら吸・排気弁がそれぞれカムシャフト34等を備えた動弁機構により所定のタイミングで開閉するように駆動される。
【0038】
さらに、上記吸・排気弁のうちで第1吸気弁31a、第2吸気弁31bおよび第1排気弁32aの動弁機構には、各弁を作動状態と停止状態とに切り換える第1切換機構35aが設けられている。また、上記吸・排気弁のうちで第2排気弁32bの動弁機構には、各弁を作動状態と停止状態とに切り換えるとともに、その開弁期間をエンジンの運転状態に応じて切り換える第2切換機構35bが設けられている。
【0039】
上記第1切換機構35aは、図4に示すように、第1吸気弁31a、第2吸気弁31bおよび第1排気弁32aの上方に配設されたカムシャフト34と、このカムシャフト34と上記各弁との間に配設されたロッカシャフト55と、このロッカシャフト55に支持された第1〜第3ロッカアーム56〜58とを有している。また、上記カムシャフト34には、円形の外周面を有する弁停止用の第1カム52と、弁駆動用の突部(カムノーズ)を有する第2,第3カム53,54とが一体に形成されている。この第2,第3カム53,54は、同一形状を有し、上記第1カム52を挟むようにその左右に配設されている。
【0040】
上記第1ロッカアーム56は、第1カム52に対応した位置に配設されるとともに、その先端部には上記第1吸気弁31a、第2吸気弁31bおよび第1排気弁32aの弁軸上端に当接する当接部60が設けられている。一方、上記第2,第3ロッカアーム57,58は、第1ロッカアーム56を挟むようにその両側方に配設されるとともに、第1ロッカアーム56とは切り離された状態で、図外の付勢手段により、それぞれ上記第2,第3カム53,54に圧接されるように付勢されている。
【0041】
また、第2,第3ロッカアーム57,58は、上記第1ロッカアーム56と連結可能に構成されている。具体的には、上記第2,第3ロッカアーム57,58に設けられたプランジャー(図示せず)が、後述する第1,第2作動油給排通路36,38から供給された作動油により駆動され、その先端部が上記第1ロッカアーム56に形成された連結孔(図示せず)内に挿入される等により、上記第1ロッカアーム56と第2,第3ロッカアーム57,58とが一体に連結された状態で揺動変位するようになっている。
【0042】
すなわち、上記第1,第2作動油給排通路36,38に設けられた第1,第2コントロール弁37,39により上記第1,第2作動油給排通路36,38からの作動油の給排を制御して第1ロッカアーム56と第2,第3ロッカアーム57,58とを一体に連結することにより、上記第2,第3カム53,54により駆動される第1,第2ロッカアーム57,58の駆動力が第1ロッカアーム56に伝達されて上記第1吸気弁31a、第2吸気弁31bおよび第1排気弁32aが開閉駆動されることになる。
【0043】
一方、第1ロッカアーム56と第2,第3ロッカアーム57,58との連結状態が解除されると、第2,第3ロッカアーム57,58から第1ロッカアーム56への駆動力の伝達が遮断され、カムシャフト34が回転しても第1ロッカアーム56が揺動変位することなく、上記第1吸気弁31a、第2吸気弁31bおよび第1排気弁32aが閉弁状態に維持されるようになっている。
【0044】
また、上記第2排気弁32bの動弁機構に設けられた第2切換機構35bは、上記第2カム53のカムノーズと、第3カム54のカムノーズとが異なる形状に形成されるとともに、上記第1ロッカアーム56が第2ロッカアーム57に連結された状態と、上記第1ロッカアーム56が第3ロッカアーム58に連結された状態とに選択的に切り換えられることにより、上記カムシャフト34に設けられた第2,第3カム53,54により駆動される第2排気弁32bの開弁期間が切り換えられるように構成された点を除き、上記第1切換機構35aと同様に構成されている。
【0045】
図5は、駆動、制御系統の構成を示している。この図において、マイクロコンピュータ等からなるエンジン制御用のECU(コントロールユニット)40には、エアフローセンサ19およびO2センサ23からの信号が入力され、さらに運転状態を判別するためにエンジン回転数を検出する回転数センサ61およびアクセル開度(アクセルペダル踏込み量)を検出するアクセル開度センサ62等からの信号も入力されている。また、上記ECU40から、各燃料噴射弁9と、多連スロットル弁17のアクチュエータ18と、上記第1,第2のコントロール弁37,39とに対して制御信号が出力されるようになっている。
【0046】
また、上記ECU40には、エンジンの運転状態を判別する運転状態判別手段41と、運転状態の判定結果に応じた運転モードを設定するモード設定手段42と、上記第1,第2切換機構35a,35bに設けられたカムの作動状態を切り換えて吸・排気弁を開閉制御する弁開閉制御手段43と、各気筒2A〜2Dに対する吸気の流入量を制御する吸入空気量制御手段44と、燃料噴射弁9の作動状態を制御する燃料噴射制御手段45と、点火プラグ7の作動状態を制御する点火制御手段46とが設けられている。
【0047】
運転状態判別手段41は、図6に示すようにエンジンの運転領域が低負荷低回転側の運転領域(部分負荷運転領域)Aと、高負荷側ないし高回転側の運転領域(全負荷運転領域)Bとに分けられた制御用マップを有し、上記回転数センサ61およびアクセル開度センサ62等からの信号により調べられるエンジンの運転状態(エンジン回転数およびエンジン負荷)が上記運転領域A,Bのいずれの領域にあるかを判別するように構成されている。
【0048】
また、上記特殊運転モードとなる部分負荷運転領域Aは、その中でもエンジン回転数および負荷が低い低負荷側領域A1と、この低負荷側領域A1よりもエンジン負荷が高い中負荷側領域A2と、この中負荷側領域A2よりもさらにエンジン負荷が高い高負荷側領域A3とに区画されている。
【0049】
そして、上記モード設定手段42は、運転モード判定手段41の判別結果に基づき、低負荷低回転側の部分負荷運転領域Aでは、排気行程にある先行気筒2A,2Dから排出される既燃ガスを、そのまま吸気行程にある後続気筒2B,2Cに導入して燃焼させる特殊運転モードが選択され、高負荷側ないし高回転側の運転領域Bでは、各気筒2A〜2Dをそれぞれ独立させて燃焼させる通常運転モードが選択されるようになっている。
【0050】
弁開閉制御手段43は、上記特殊運転モードでは気筒間ガス通路22を介して先行気筒の既燃ガスを後続気筒に導入させる2気筒接続状態とし、通常運転モードでは各気筒にそれぞれ新気を導入させる各気筒独立状態とするように吸・排気流通状態を変更すべく第1,第2切換機構35a,35bを制御するもので、具体的にはエンジンが上記運転領域A,Bのいずれにあるかに応じ、上記各コントロール弁37,39を制御して第1,第2切換機構35a,35bを作動させることにより、吸・排気弁を原則として次のように制御する。
【0051】
上記吸入空気量制御手段44は、アクチュエータ18を制御することによってスロットル弁17の開度(スロットル開度)を制御するものであり、運転状態に応じてマップ等から目標吸入空気量を求め、その目標吸入空気量に応じてスロットル開度を制御する。この場合、上記特殊運転モードとされる運転領域(部分負荷運転領域)Aでは、先行気筒2A,2Dの空燃比をリーン空燃比とするのに必要な量の空気が先行気筒2A,2Dに供給されるとともに、後続気筒2B,2Cにおいて、分岐吸気通路16から導入される新気と、先行気筒2A,2Dから導入されるガス中の過剰空気と、燃料噴射弁9から新たに供給される燃料との比が理論空燃比となるようにスロットル開度が調節される。
【0052】
上記燃料噴射制御手段45は、各気筒2A〜2Dに設けられた燃料噴射弁9からの燃料噴射量および噴射タイミングをエンジンの運転状態に応じて制御するように構成されている。また、上記点火制御手段46は、運転状態に応じた点火時期の制御および点火停止等の制御を行うように構成されている。そして、特に運転状態が図6中の部分負荷運転領域Aにある場合と全運転領域Bにある場合とで燃焼状態の制御、つまり燃料噴射の制御および点火の制御状態が変更されるようになっている。
【0053】
すなわち、特殊運転モードの制御が実行される上記部分負荷運転領域A内において、その低負荷側領域A1にある場合には、先行気筒2A,2D内の空気過剰率λを3以上の大幅なリーン状態、例えば空燃比A/Fを50〜60の範囲内とする制御が上記吸入空気量制御手段44および燃料噴射制御手段45からなる空燃比制御手段により実行されるとともに、図3に示すように、圧縮行程で燃料噴射弁9から先行気筒A,2D内に対して燃料噴射Fを行うように噴射タイミングを設定し、かつ圧縮上死点付近で強制点火Sを行って成層燃焼させる制御が、上記燃料噴射制御手段45および点火制御手段46からなる燃焼制御手段により実行されるように構成されている。
【0054】
上記部分負荷運転領域Aの中負荷側領域A2では、先行気筒2A,2D内の空気過剰率λを2〜3程度、例えば空燃比A/Fを35〜40の範囲内とする制御が上記空燃比制御手段、つまり吸入空気量制御手段44および燃料噴射制御手段45のうち主として燃料噴射制御手段45により実行されるとともに、図7に示すように、吸気行程で燃料噴射弁9から先行気筒2A,2D内に燃料噴射Fを行うように噴射タイミングを設定し、かつ点火プラグ7に点火指令信号を出力して圧縮上死点前の上死点付近で混合気にアシスト点火Sを行うことにより、点火プラグ7周りの圧力を上昇させて先行気筒2A,2Dの圧縮自己着火を促進する着火アシスト制御が上記点火制御手段46からなる着火アシスト手段において実行されるようになっている。
【0055】
また、上記着火アシスト手段により先行気筒2A,2Dの圧縮自己着火を促進する部分負荷領域Aの中負荷側領域A2では、上記先行気筒2A,2Dに設けられた第2排気弁32bの閉弁時期t1を、図7の破線で示す通常時の閉弁時期t2に比べて進角させるように第2切換機構35bを作動させることにより、先行気筒2A,2Dの内部EGR量を増大させて筒内温度を上昇させ、これによって先行気筒2A,2Dを圧縮自己着火し易い状態とする制御が上記弁開閉制御手段43からなる筒内温度上昇手段において実行されるように構成されている。
【0056】
さらに、上記部分負荷運転領域Aの高負荷側領域A3では、先行気筒2A,2D内の空気過剰率λを1〜3程度、例えば空燃比A/Fを20〜40の範囲内とする制御が上記燃料噴射制御手段45等からなる空燃比制御手段により実行されるとともに、上記点火制御手段46からなる着火アシスト手段により先行気筒2A,2Dの圧縮自己着火を促進する制御が実行され、かつ上記弁開閉制御手段43からなる筒内温度上昇手段により先行気筒2A,2D内の温度を上昇させる制御が必要に応じて実行されるようになっている。
【0057】
先行気筒2A,2Dの空燃比が運転領域に応じて上記のように設定されることにより、エンジンの運転領域が先行気筒2A,2Dを圧縮自己着火させる上記中負荷側領域A2から、先行気筒2A,2Dを強制点火させる低負荷側領域A1への移行時に、先行気筒2A,2Dの空燃比をリーン側に急変させる制御が実行されることになる。
【0058】
また、後続気筒2B,2Cに対しては、先行気筒2A,2Dから導入された既燃ガス中の酸素濃度を考慮しつつ、分岐吸気通路16から導入される新気に対して燃料を供給することにより、後続気筒2B,2Cの空燃比が実質的に理論空燃比となるように燃料噴射量を制御するとともに、吸気行程の前期またはそれ以前に燃料を噴射するように噴射タイミングを設定し、かつ、圧縮自己着火を行わせるべく、強制点火を停止させる制御が上記燃焼状態制御手段により実行されるようになっている。
【0059】
そして、エンジンの運転領域が先行気筒2A,2Dを圧縮自己着火させる上記中負荷側領域A2から、先行気筒2A,2Dを強制点火させる低負荷側領域A1への移行時には、先行気筒2A,2Dの空燃比をA/F35〜40程度から50〜60程度に急変させて顕著なリーン状態とするのに伴い、後続気筒2B,2Cに対する燃料噴射量を増大させる制御が実行されるように構成されている。
【0060】
一方、エンジンの運転状態が高負荷側ないし高回転側の全負荷運転領域Bにある場合には、通常運転モードの制御として、各気筒2A〜2Dの空燃比を理論空燃比もしくはそれ以下とするように燃料噴射量を制御し、例えばこの運転領域Bにおける大部分の領域で理論空燃比とし、全開負荷およびその付近の運転領域で理論空燃比よりリッチとする。そして、この場合に、各気筒2A〜2Dに対して吸気行程で燃料を噴射して混合気を均一化するように噴射タイミングを設定し、かつ、原則として各気筒2A〜2Dとも強制点火を行わせるように制御する。
【0061】
上記構成において低負荷低回転側の部分運転領域Aでは、上記特殊運転モードの制御が実行され、前述のように第1排気弁32aおよび第1吸気弁31aが停止状態、第2排気弁32bおよび第2吸気弁31bが作動状態とされることにより、実質的な新気およびガスの流通経路は図8に示すようになり、先行気筒(1番,4番気筒)2A,2Dから排出される既燃ガスがそのまま気筒間ガス通路22を介して後続気筒(2番,3番気筒)2B,2Cに導入されるとともに、この後続気筒2B,2Cから排出されるガスのみが排気通路20に導かれるような2気筒接続状態とされる。
【0062】
上記部分負荷運転領域A1の低負荷側領域A1では、図3中の矢印aに示すように、先行気筒2A,2Dの吸気行程で吸気通路15から新気が導入されることにより、先行気筒2A,2Dの空燃比A/Fが、例えば50〜60程度の顕著なリーン状態となるように燃料噴射量が制御されつつ、吸気行程の前期またはそれ以前に燃料噴射Fが行われ、かつ、所定時期に強制点火Sが行われてリーン空燃比の燃焼が行われる。
【0063】
また、上記部分負荷運転領域A1の中負荷側領域A2では、先行気筒2A,2Dの空燃比A/Fが、例えば35〜40程度のリーンとなるように燃料噴射量が制御されるとともに、図7に示すように、上記吸気行程の前期またはそれ以前に燃料噴射Fが行われる。そして、上記先行気筒2A,2Dに設けられた第2排気弁32bの閉弁時期t1を、図7の破線で示す通常時の閉弁時期t2に比べて進角させることにより、先行気筒2A,2D内の温度を上昇させて圧縮自己着火が生じ易い状態とする制御が、上記弁開閉制御手段43からなる筒内温度上昇手段において実行されるとともに、圧縮上死点前の上死点近傍でアシスト点火Sを行って圧縮自己着火を促進する制御が、上記点火制御手段46からなる着火アシスト制御手段において実行されることにより、先行気筒2A,2Dの圧縮自己着火が行われる。
【0064】
さらに、上記部分負荷運転領域A1の高負荷側領域A3では、先行気筒2A,2Dの空燃比A/Fが、例えば20〜40程度のリーンとなるように燃料噴射量が制御されるとともに、必要に応じて上記筒内温度上昇手段による温度上昇制御および上記着火アシスト制御手段による圧縮自己着火の促進制御が実行されることにより、先行気筒2A,2Dの圧縮自己着火が行われる。
【0065】
そして、先行気筒2A,2Dの吸気行程と後続気筒2B,2Cの排気行程とが重なる期間に、先行気筒2A,2Dから排出された既燃ガスが気筒間ガス通路22を通って後続気筒2B,2Cに導入されるとともに(図3中の白抜き矢印および図8中の矢印b)、後続気筒2B,2Cでは、先行気筒2A,2Dから導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料が供給されて理論空燃比となるように、O2センサ23の出力に基づいて燃料噴射量が制御されつつ、適当なタイミングで燃料が噴射されて燃焼が行われる。
【0066】
この場合、先行気筒2A,2Dから排出された高温の既燃ガスが気筒間ガス通路22を通って後続気筒2B,2Cに導入されるため、後続気筒2B,2Cでは吸気行程で燃焼室内の温度が高くなり、この状態からさらに圧縮行程で圧力、温度が上昇することにより、圧縮行程終期の上死点付近では混合気が自己着火し得る程度まで燃焼室内の温度が上昇する。しかも、上記既燃ガスは先行気筒2A,2Dから排出されて後続気筒2B,2Cに導入されるまでの間に充分にミキシングされて均一に分布し、さらに吸気行程で燃料噴射弁9から吸気ポート11aに噴射された燃料も圧縮行程終期までの間に燃焼室全体に均一に分散するため、理想的な同時圧縮自己着火条件を満たすような均一な混合気の分布状態が得られることになる。
【0067】
一方、高負荷側ないし高回転側の全負荷領域Bでは、通常運転モードとされ、前述のように第1排気弁32aおよび第1吸気弁31aが作動状態、第2排気弁32bおよび第2吸気弁31bが停止状態とされることにより、実質的な新気およびガスの流通経路は図9に示すような各気筒独立状態とされ、実質的に各気筒2A〜2Dの吸気ポート31,31aおよび排気ポート12a,12が独立し、吸気通路15から各気筒2A〜2Dの吸気ポート31,31aに新気が導入されるとともに、各気筒2A〜2Dの排気ポート32,32aから排気通路20に既燃ガスが排出される。そして、この場合には各気筒の空燃比が理論空燃比もしくはそれよりリッチとなるように吸入空気量および燃料噴射量が制御されることにより、エンジンの出力性能が確保されることになる。
【0068】
上記のように先行気筒2A,2Dでは、リーン空燃比での燃焼により熱効率が高められるとともに、通常のエンジンと比べて吸気負圧が小さくなることでポンピングロスが低減され、一方、後続気筒2B,2Cでは、空燃比が略理論空燃比とされつつ、均一な混合気分布状態で圧縮自己着火が行われることにより熱効率が高められるとともに、先行気筒2A,2Dから押出された既燃ガスが送り込まれるため先行気筒2A,2Dよりも、さらにポンピングロスが低減される。これらの作用により、燃費が大幅に改善される。
【0069】
そして、上記特殊運転モードの制御が実行される部分負荷領域Aの中負荷領域A2では、先行気筒2A,2D内の温度を上昇させることにより、先行気筒2A,2Dを圧縮自己着火させるように構成したため、先行気筒2A,2D内における燃焼を急速に行わせて熱効率を向上させることにより燃費を大幅に向上させることができるとともに、先行気筒2A,2D内における酸素と窒素との反応を可急的に回避してNOxの発生を充分に抑制することができる。
【0070】
また、先行気筒2A,2Dを圧縮自己着火させることが困難な部分負荷領域Aの低負荷領域A1では、先行気筒2A,2D内の混合気を強制着火させるとともに、上記先行気筒2A,2Dを圧縮自己着火させる運転領域(A2)から先行気筒2A,2Dを強制点火する運転領域(A1)への移行時に、先行気筒2A,2Dの空燃比をリーン側に急変させるように構成したため、圧縮自己着火を行うことなく、先行気筒2A,2DにおけるNOxの発生量を効果的に低減することができる。
【0071】
すなわち、混合気の空燃比A/Fに対応したNOxの発生量は、図10に示すように、混合気の空燃比A/Fが理論空燃比14.7(λ=1)となる点よりもややリーンなときに最大となり、この最大点を超えて上記空燃比A/Fがリーン側となるのに応じて顕著に減少する傾向があるため、先行気筒2A,2Dの空燃比を顕著なリーン状態に設定することにより、NOxの発生を効果的に抑制することができる。しかも、上記運転領域の移行時に、先行気筒2A,2D内の混合気を強制点火するように構成したため、制御の応答遅れ等により先行気筒2A,2D内に所定量の既燃ガス(内部EGRによる既燃ガス)が存在する状況下においても失火を生じることなく、先行気筒2A,2Cの混合気を確実に燃焼させることができる。
【0072】
さらに、上記後続気筒2B,2Cでは、先行気筒2A,2Dからの既燃ガスが導入されることで、多量のEGRが行われているのと同等の状態となるとともに、格別の加熱手段を用いたりエンジンの圧縮比を極端に高くしたりする等の手段を講じることなく、同時圧縮自己着火による急速燃焼が行われるため、可及的に酸素と窒素との反応を避けられることにより、NOxの発生を充分に抑制することができ、このような点からもエミッションの向上に有利となる。
【0073】
したがって、上記実施形態に示すように、先行気筒2A,2Dを圧縮自己着火させる運転領域A2では、先行気筒2A,2Dの空気過剰率を2〜3の範囲内とすることにより、先行気筒2A,2Dに噴射される燃料の量を所定値に確保して、先行気筒2A,2Dの圧縮自己着火を適正に行わせることができるとともに、先行気筒2A,2Dを強制点火させる上記運転領域A1では、先行気筒2A,2Dの空気過剰率を3以上とするように空燃比を制御することにより、上記運転領域A1におけるNOxの発生を効果的に抑制しつつ、顕著な燃費の改善効果が得られるという利点がある。
【0074】
また、上記実施形態では、先行気筒の温度を上昇させることにより先行気筒2A,2Dを圧縮自己着火させる運転領域A2よりも高負荷側領域A3にある場合に、先行気筒2A,2Dの空気過剰率を2〜3の範囲内とするように空燃比を制御するように構成したため、後続気筒2B,2Cの気筒内温度が高くなる傾向がある上記高負荷側領域A3で、先行気筒2A,2Cから排出された多量の既燃ガスを後続気筒2B,2Cに導入させることにより、この後続気筒2A,2CにおけるNOxの発生を効果的に抑制することができる。
【0075】
また、上記実施形態に示すように、圧縮上死点前の上死点近傍で先行気筒2A,2C内の混合気を点火して先行気筒2A,2Dの圧縮自己着火を促進する点火制御手段46からなる着火アシスト手段を設け場合には、上記特殊運転モードの制御が実行される部分負荷領域Aの中負荷領域A2等において、上記弁開閉制御手段43からなる筒内温度上昇手段により先行気筒2A,2Dの筒内温度を上昇させた状態で、この先行気筒2A,2D内の混合気を点火して先行気筒2A,2D内の圧力を瞬時に高めることにより、先行気筒2A,2上記を適正時期に確実に圧縮自己着火させることできるという利点がある。
【0076】
なお、上記特殊運転モードの制御が実行される上記部分負荷領域Aにおいて、後続気筒2B,2Cを圧縮自己着火させることが困難な場合、例えば先行気筒2A,2Dから導出される既燃ガスの温度が低い低負荷側領域A1の運転状態にある場合等に、上記点火制御手段46からなる着火アシスト手段2より後続気筒2B,2Cの混合気を、圧縮上死点前の上死点近傍で点火して後続気筒2B,2C内の圧力を瞬時に高めることにより、後続気筒2B,2Cを適正時期に確実に圧縮自己着火させるようにしてもよい。
【0077】
上記実施形態では、先行気筒2A,2Dを圧縮自己着火させる運転領域A2から先行気筒2A,2Dを強制点火させる運転領域A1への移行時に、後続気筒2B,2Cに対する燃料噴射量を増大させる制御を燃料噴射制御手段45により実行するように構成したため、上記運転領域A1への移行時に、後続気筒2B,2Cに対する燃料噴射量を充分な値に設定することにより、上記のように先行気筒2A,2Dの空燃比が顕著なリーン状態に設定されることによるエンジンの出力低下を後続気筒2B,2Cの燃焼エネルギーにより補うことができるという利点がある。
【0078】
また、上記実施形態に示すように、弁開閉制御手段43により先行気筒2A,2Dの第2排気弁32bを早閉じして先行気筒2A,2D内の温度を上昇させるように構成した場合には、特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域Aの特定運転領域A2で、先行気筒2B,2Dの内部EGR量を増大させることにより筒内温度を上昇させることができるため、先行気筒2A,2Dを簡単かつ効果的に圧縮自己着火させることができる。
【0079】
また、上記実施形態では、特殊運転モードにおいて後続気筒2B,2Cの空燃比を略理論空燃比とし、この理論空燃比で燃焼した排気ガスのみを後続気筒2B,2Cから排気通路20に排出させるように構成したため、リーンNOx触媒を排気通路20に設けることなく、三元触媒24だけで充分に排気ガスの浄化性能を確保することができる。しかも、上記リーンNOx触媒を設ける必要がないことから、リーンNOx触媒のNOx吸蔵量増大時におけるNOxの放出、還元のための一時的なリッチ化を行う必要がなく、燃費改善効果の目減りを防止できるとともに、リーンNOx触媒が硫黄被毒するという問題が生じるのを防止できるという利点がある。
【0080】
なお、特殊運転モードにおいて後続気筒2B,2Cの空燃比を略理論空燃比とし、この理論空燃比で燃焼した排気ガスのみを後続気筒2B,2Cから排気通路20に排出させるように構成してなる上記実施形態に替え、図11に示すように、排気通路20に三元触媒24と、排ガス中のNOxを浄化するNOx浄化触媒26とを設けるとともに、先行気筒2A,2Dおよび後続気筒2B,2Cを圧縮自己着火させる運転領域A2では、後続気筒2B,2Cの空燃比をややリーンに設定するように構成してもよい。
【0081】
上記NOx浄化触媒26は、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態で排気ガス中のNOxを吸着し、かつリッチ状態で吸着したNOxを放出して還元浄化するものであり、例えば担体の壁面にアルミナやセリアがサポート材として担持された触媒層を有し、このサポート材に白金Pt、ロジウムRhまたはパラジウムPd等の貴金属と、カリウムK等のアルカリ金属やバリウムBa等のアルカリ土類金属とが担持された1コートタイプのものが用いられる。上記リーンNOx触媒26として、担体の壁面に白金Ptと、バリウムBa等のアルカリ土類金属とが担持されたアルミナや、セリアを有する内側触媒と、白金Pt等の貴金属が担持されたゼオライトを有する外側触媒とからなる2コートタイプのものを用いてもよい。
【0082】
上記のように構成した場合には、先行気筒2A,2Dおよび後続気筒2B,2Cを圧縮自己着火させることによりNOxの発生量を効果的に低減することができるため、排気通路20に設けられたNOx吸着触媒26の容量を大きな値に設定することなく、排気浄化性能を維持することができるとともに、後続気筒2B,2Cの空燃比をややリーンに設定することにより、エンジンの燃費をさらに効果的に改善できるという利点がある。しかも、上記NOx吸着触媒26に吸着されたNOxの放出、還元を行う際には、後続気筒2B,2Cの空燃比をややリッチに設定することにより、NOx吸着触媒25に吸着されたNOxを放出させるとともに、排気ガス中のCOまたはCH等からなる還元剤によりNOxを還元することができるため、燃費を顕著に低下させることなく、排気ガスの浄化性能を維持できるという利点がある。
【0083】
また、上記実施形態では先行気筒2A,2D、後続気筒2B,2Cのいずれに対しても燃料噴射弁9は燃焼室に直接燃料を噴射する直噴タイプとしているが、後続気筒2B,2Cに対する燃料噴射弁は必ずしも直噴タイプに限定されず、例えば吸気ポートおよび気筒間ガス通路に燃料噴射弁を設け、通常運転モードでは吸気ポートの燃料噴射弁を駆動し、特殊運転モードでは気筒間ガス通路の燃料噴射弁を駆動するようにしてもよい。
【0084】
さらに、上記吸・排気気弁を開閉駆動するソレノイドアクチュエータを備えた電磁動弁機構を設け、この電磁動弁機構の作動状態を制御することにより、上記2気筒接続状態と各気筒独立状態とに切り換えるように構成してもよく、あるいは先行気筒2A,2Dに設けられた第2排気弁32Bの開弁期間を進角させることにより、先行気筒2A,2Dの内部EGR量を増大させて筒内温度を上昇させるようにしてもよい。
【0085】
本発明の装置は4気筒以外の多気筒エンジンにも適用可能である。そして、例えば6気筒等では1つの気筒の排気行程と別の気筒の吸気行程が完全に重なり合うことはないが、このような場合は、一方の気筒の排気行程が他方の気筒の吸気行程より先行するとともに、両行程が部分的に重なり合う2つの気筒を先行、後続の一対の気筒とすればよい。
【0086】
【発明の効果】
以上のように本発明は、各気筒内に燃料を供給する燃料噴射弁が吸気導入経路に設けられるとともに、各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもつように設定された多気筒の火花点火式エンジンにおいて、エンジンの部分負荷運転領域で、排気行程と吸気行程とが重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出される既燃ガスが排気通路に導かれるような2気筒接続状態としつつ、先行気筒の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比として燃焼を行わせ、この先行気筒から後続気筒に導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して後続気筒の燃焼を行わせる特殊運転モードの制御を実行する運転モード制御手段と、上記特殊運転モードの制御が実行される運転領域の少なくとも一部で先行気筒内の温度を上昇させることにより後続気筒とともに先行気筒を圧縮自己着火させる筒内温度上昇手段と、この先行気筒を圧縮自己着火させることが困難な運転領域では先行気筒内の混合気を強制着火させるように制御する点火制御手段と、上記先行気筒を圧縮自己着火させる運転領域から先行気筒を強制点火させる運転領域への移行時に、先行気筒の空燃比をリーン側に急変させるように制御する空燃比制御手段とを設けたため、上記特殊運転モードとして燃焼が行われる場合に、上記先行気筒ではリーン燃焼による熱効率向上およびポンピングロス低減による燃費改善効果が得られるとともに、後続気筒ではポンピングロス低減による燃費改善効果が得られるという利点がある。
【0087】
また、特殊運転モードの燃焼が行われる特定運転領域の少なくとも一部で先行気筒の筒内温度を上昇させて先行気筒および後続気筒の両方を圧縮自己着火させる制御を上記筒内温度上昇手段において実行することにより、NOxの発生を効果的に抑制することができるとともに、顕著な燃費の改善効果を得ることができる。そして、先行気筒を圧縮自己着火させる運転領域から先行気筒を強制点火させる運転領域への移行時には、先行気筒の空燃比をリーン側に急変させる制御を実行することにより、先行気筒の燃焼時に発生するNOx量を顕著に低減できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による制御装置を備えたエンジン全体の概略平面図である。
【図2】エンジン本体等の概略断面図である。
【図3】先行気筒および後続気筒の燃焼サイクルおよび開弁タイミング等を示す説明図である。
【図4】切換手段の具体的構成を示す斜視図である。
【図5】制御系統のブロック図である。
【図6】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定の一例を示す説明図である。
【図7】各気筒の排気行程、吸気行程、燃料噴射時期および点火時期等を示す図である。
【図8】低負荷低回転時の実質的な新気およびガスの流通経路を示す説明図である。
【図9】高負荷、高低回転側の運転領域にある時の実質的な新気およびガスの流通経路を示す説明図である。
【図10】空燃比とNOx発生量との対応関係を示すグラフである。
【図11】本発明の別の実施形態に係るエンジン全体を示す概略平面図である。
【符号の説明】
1 エンジン本体
2A〜2D 気筒
9 燃料噴射弁
15 吸気通路
20 排気通路
22 気筒間ガス通路
43 弁開閉制御手段(運転モード制御手段)
44 吸入空気量制御手段(空燃比制御手段)
45 燃料噴射制御手段(空燃比制御手段)
55 点火制御手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a spark ignition engine, and more particularly to a control device for controlling the combustion state of each cylinder in order to improve fuel consumption and emissions in a multi-cylinder engine.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a spark ignition engine, a technique for improving fuel consumption by performing combustion in a state where the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in each cylinder is set to a lean air-fuel ratio larger than the stoichiometric air-fuel ratio is known. A fuel injection valve that directly injects fuel into the room, and in the low-revolution and low-load operation region, etc., fuel is injected from the fuel injection valve in the compression stroke, and stratified combustion is performed. The thing which implement | achieved combustion is known (for example, refer patent document 1).
[0003]
In such an engine, an ordinary three-way catalyst (a catalyst having a high purification performance near the theoretical air-fuel ratio with respect to HC, CO, and NOx) as an exhaust gas purification catalyst is sufficient for NOx during lean operation. Since the purification performance cannot be obtained, a lean NOx catalyst is provided that adsorbs NOx in an oxygen-excessive atmosphere and releases and reduces NOx in an oxygen-concentrated atmosphere as shown in Patent Document 1 below. When such a lean NOx catalyst is used, if the NOx adsorption amount of the lean NOx catalyst increases during the lean operation, for example, as shown in Patent Document 1, additional fuel is burned during the expansion stroke in addition to the main combustion. It is injected into the room to enrich the air-fuel ratio of the exhaust gas and generate CO or the like, thereby promoting NOx removal and reduction.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-29836
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In an engine that performs the conventional lean operation as described above, it is necessary to provide a large and expensive lean NOx catalyst in the exhaust passage in order to ensure NOx purification performance during the lean operation, which is disadvantageous in terms of cost. Further, in order to maintain the purification performance of the lean NOx catalyst, as described above, when NOx adsorption amount increases, NOx is separated from the lean NOx catalyst and effectively reduced. It is necessary to frequently enrich the air-fuel ratio. Furthermore, when the fuel used contains a large amount of sulfur, in order to eliminate sulfur poisoning of the lean NOx catalyst, the regeneration process such as the heating process of the catalyst and the supply of the reducing material must be performed over a predetermined period. Therefore, the fuel efficiency improvement effect is reduced by these. Moreover, if the air-fuel ratio of the air-fuel mixture becomes leaner than a certain level, the combustion speed becomes too slow, and combustion close to the end does not contribute to work, so there is a limit to improving fuel efficiency by leaning in stratified combustion. It was.
[0006]
As another method for improving fuel efficiency, compression self-ignition has been studied, and this compression self-ignition, like a diesel engine, causes the combustion chamber to self-ignite at a high temperature and high pressure at the end of the compression stroke. Even in a lean state where the air-fuel ratio is remarkable or a large amount of EGR is introduced, if such compression self-ignition is performed, the entire combustion chamber burns at once, so slow combustion that does not contribute to work Is avoided, which is advantageous for improving fuel economy.
[0007]
However, in a normal spark-ignition gasoline engine, forced ignition is required for combustion, and the temperature and pressure in the combustion chamber near the compression top dead center cannot be increased to such an extent that compression self-ignition occurs. However, in order to perform compression self-ignition, special measures are required to significantly increase the temperature or pressure in the combustion chamber. Conventionally, knocking in a high load region, that is, before the flame propagates in the combustion chamber, It has been difficult to increase the temperature or pressure in the combustion chamber to such an extent that compression self-ignition occurs in a partial load operation region where fuel consumption improvement is required, while avoiding abnormal combustion due to spontaneous ignition.
[0008]
Therefore, the present applicant introduces the burned gas of the preceding cylinder in the exhaust stroke between the pair of cylinders in which the exhaust stroke and the intake stroke overlap in the low and high rotation region of the engine as it is to the subsequent cylinder in the intake stroke. The cylinder is connected and burned with the air-fuel ratio of the preceding cylinder set to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. In the succeeding cylinder, fuel is supplied to the burned gas of the lean air-fuel ratio discharged from the preceding cylinder to generate the stoichiometric air-fuel ratio. Control of a spark ignition engine that improves the exhaust gas purification performance without the need for a lean NOx catalyst, while improving the fuel efficiency by allowing combustion by compression self-ignition in a state of A technology related to the device has been filed (Japanese Patent Application No. 2002-024548).
[0009]
The present invention provides a control device for a spark ignition engine that can improve fuel efficiency more effectively with a simple configuration while ensuring exhaust purification performance based on such a technique.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a multi-cylinder spark ignition in which a fuel injection valve for supplying fuel into each cylinder is provided in the intake air introduction path, and the combustion cycle of each cylinder is set to have a predetermined phase difference. In the engine partial load operation region, the burned gas discharged from the preceding cylinder in the exhaust stroke is directly in the intake stroke between a pair of cylinders in which the exhaust stroke and the intake stroke overlap. A lean state in which the air-fuel ratio of the preceding cylinder is larger than the stoichiometric air-fuel ratio while the two-cylinder connection state is established in which the burned gas discharged from the succeeding cylinder is introduced into the cylinder through the inter-cylinder gas passage and led to the exhaust passage. Combustion is performed as an air-fuel ratio, and control of a special operation mode is performed in which fuel is supplied to the burned gas having a lean air-fuel ratio introduced from the preceding cylinder to the succeeding cylinder and combustion of the succeeding cylinder is performed. Rotation mode control means, and in-cylinder temperature increasing means for compressing and igniting the preceding cylinder together with the succeeding cylinder by increasing the temperature in the preceding cylinder in at least a part of the operation region in which the control of the special operation mode is executed. In the operation region where it is difficult to perform compression self-ignition of the preceding cylinder, ignition control means for controlling the air-fuel mixture in the preceding cylinder to be forcedly ignited, and forcibly igniting the preceding cylinder from the operation region in which the preceding cylinder is subjected to compression self-ignition And an air-fuel ratio control means for controlling the air-fuel ratio of the preceding cylinder to suddenly change to the lean side at the time of transition to the operating range.
[0011]
According to the present invention, when combustion is performed in the special operation mode, the preceding cylinder can achieve the fuel efficiency improvement effect by the lean combustion and the fuel efficiency improvement by the pumping loss reduction, and the subsequent cylinder can obtain the fuel efficiency improvement effect by the pumping loss reduction. It is done. Further, in the in-cylinder temperature increasing means, the in-cylinder temperature increasing means performs compression self-ignition of both the preceding cylinder and the succeeding cylinder by increasing the in-cylinder temperature of the preceding cylinder in at least a part of the specific operation region in which the combustion in the special operation mode is performed. As a result, the generation of NOx is effectively suppressed, and a remarkable fuel economy improvement effect is obtained.
Then, at the time of transition from the operation region in which the preceding cylinder is subjected to compression self-ignition to the operation region in which the preceding cylinder is forcibly ignited, the control is executed to suddenly change the air-fuel ratio of the preceding cylinder to the lean side, thereby generating when the preceding cylinder burns The amount of NOx to be effectively reduced.
[0012]
Further, the invention according to claim 2 is the spark ignition engine control device according to claim 1, wherein the excess air ratio of the preceding cylinder is in a range of 2 to 3 in the operation region in which the preceding cylinder is compressed and self-ignited, In the operation region in which the preceding cylinder is forcibly ignited, the air-fuel ratio is controlled so that the excess air ratio of the preceding cylinder is 3 or more.
[0013]
According to the above configuration, in the operation region in which the in-cylinder temperature of the preceding cylinder is raised and both the preceding cylinder and the succeeding cylinder are compressed and self-ignited, the fuel injection amount to the preceding cylinder is secured at a predetermined value, In the region where the compression self-ignition of the cylinder is properly performed and the preceding cylinder is forcibly ignited, the air-fuel ratio of the preceding cylinder is set to a remarkable lean state, thereby effectively suppressing the generation of NOx, A remarkable fuel economy improvement effect can be obtained.
[0014]
Further, the invention according to claim 3 is a control device for the spark ignition engine according to claim 1 or 2, wherein the load is higher than that in an operating region in which the preceding cylinder is compressed and self-ignited by increasing the temperature of the preceding cylinder. In the side region, the air-fuel ratio is controlled so that the excess air ratio of the preceding cylinder is in the range of 2-3.
[0015]
According to the above configuration, the excess air ratio of the preceding cylinder is set in the range of 2 to 3 in the region of higher load than the operation region in which the preceding cylinder is compressed and self-ignited, and a large amount of burned gas is introduced into the succeeding cylinder. As a result, the generation of NOx in the succeeding cylinder is effectively suppressed.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in the spark ignition engine control device according to any one of the first to third aspects, the air-fuel mixture in the preceding cylinder is near top dead center before compression top dead center. Is provided with ignition assist means for accelerating compression self-ignition of the preceding cylinder.
[0017]
According to the above configuration, in a state in which the in-cylinder temperature increasing means increases the in-cylinder temperature of the preceding cylinder, the air-fuel mixture in the preceding cylinder is ignited and the pressure in the preceding cylinder is instantaneously increased, so that the appropriate time is reached. In addition, it is possible to reliably perform compression self-ignition in the preceding cylinder.
[0018]
Further, the invention according to claim 5 is the operation for forcibly igniting the preceding cylinder from the operation region in which the preceding cylinder is compressed and self-ignited in the control apparatus for the spark ignition engine according to any one of claims 1 to 4. Fuel injection control means is provided for increasing the fuel injection amount for the subsequent cylinders when shifting to the region.
[0019]
According to the above configuration, the fuel injection amount for the subsequent cylinder is set to a sufficient value at the time of transition from the operation region in which the preceding cylinder performs compression self-ignition to the operation region in which the preceding cylinder is forcibly ignited. The reduction in engine output due to the lean state of the fuel ratio being compensated by the combustion energy of the subsequent cylinder.
[0020]
Further, the invention according to claim 6 is the spark ignition engine control device according to any one of claims 1 to 5, wherein the exhaust valve of the preceding cylinder is quickly closed by the valve opening / closing control means. It is configured to increase the temperature inside.
[0021]
According to the above configuration, in the specific operation area where the combustion in the special operation mode is performed, the exhaust valve of the preceding cylinder is quickly closed to raise the in-cylinder temperature, thereby effectively compressing and auto-igniting the preceding cylinder. It becomes possible.
[0022]
Further, the invention according to
[0023]
According to the above configuration, the amount of NOx generated can be effectively reduced by compressing and auto-igniting the preceding cylinder and the succeeding cylinder. Therefore, even when the air-fuel ratio of the succeeding cylinder is set to be slightly lean, Thus, it is possible to maintain the exhaust purification performance without providing the NOx adsorption catalyst or frequently separating and reducing the NOx adsorbed on the NOx adsorption catalyst.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a schematic configuration of an engine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 schematically shows a structure of one cylinder of an engine body 1 and intake / exhaust valves provided for the cylinder. In these drawings, the engine body 1 has a plurality of cylinders, and in the illustrated embodiment, has four
[0025]
A
[0026]
Further,
[0027]
A combustion cycle including intake, compression, expansion, and exhaust strokes is performed with a predetermined phase difference for each of the
[0028]
Between a pair of cylinders in which the exhaust stroke and the intake stroke overlap, a cylinder on the intake stroke side (referred to as a preceding cylinder in this specification) from the cylinder on the exhaust stroke side when the exhaust stroke and the intake stroke overlap (this cylinder is referred to as the preceding cylinder). The
[0029]
The intake / exhaust ports of each of the
[0030]
In the example shown in FIG. 1, the
[0031]
The
[0032]
In addition, a
[0033]
An upstream end of a
[0034]
The
[0035]
In the
In addition, this O 2 A three-
[0036]
The intake / exhaust valves for opening and closing the intake / exhaust ports of the
[0037]
The
[0038]
Further, among the intake / exhaust valves, the
[0039]
As shown in FIG. 4, the
[0040]
The
[0041]
The second and
[0042]
That is, the hydraulic oil from the first and second hydraulic oil supply /
[0043]
On the other hand, when the connection state between the
[0044]
The
[0045]
FIG. 5 shows the configuration of the drive and control system. In this figure, an ECU (control unit) 40 for engine control composed of a microcomputer or the like is provided with an
[0046]
The
[0047]
As shown in FIG. 6, the operating state discriminating means 41 includes an operating region (partial load operating region) A on the low load and low rotation side and an operating region (full load operating region) on the high load side or high rotation side. ) The control state divided into B and the engine operating state (engine speed and engine load) examined by signals from the
[0048]
Further, the partial load operation region A that becomes the special operation mode includes a low load side region A1 in which the engine speed and load are low, a medium load side region A2 in which the engine load is higher than the low load side region A1, and The vehicle is partitioned into a high load side region A3 where the engine load is higher than the middle load side region A2.
[0049]
Based on the determination result of the operation mode determination means 41, the mode setting means 42, in the partial load operation region A on the low load and low rotation side, burns the burned gas discharged from the preceding
[0050]
The valve opening / closing control means 43 is in a two-cylinder connection state in which the burnt gas of the preceding cylinder is introduced into the succeeding cylinder via the
[0051]
The intake air amount control means 44 controls the opening degree of the throttle valve 17 (throttle opening degree) by controlling the
[0052]
The fuel injection control means 45 is configured to control the fuel injection amount and the injection timing from the
[0053]
That is, in the partial load operation region A in which the control in the special operation mode is executed, when the vehicle is in the low load side region A1, the excess air ratio λ in the preceding
[0054]
In the middle load side region A2 of the partial load operation region A, the control for setting the excess air ratio λ in the preceding
[0055]
In the middle load side region A2 of the partial load region A where the ignition assisting means promotes the compression self-ignition of the preceding
[0056]
Further, in the high load side region A3 of the partial load operation region A, control is performed so that the excess air ratio λ in the preceding
[0057]
The air-fuel ratio of the preceding
[0058]
In addition, for the
[0059]
When the engine operating region shifts from the medium load side region A2 in which the preceding
[0060]
On the other hand, when the operating state of the engine is in the full load operation region B on the high load side or the high rotation side, the air-fuel ratio of each
[0061]
In the partial operation region A on the low load and low rotation side in the above configuration, the control in the special operation mode is executed, and the
[0062]
In the low load side region A1 of the partial load operation region A1, as shown by the arrow a in FIG. 3, the fresh air is introduced from the
[0063]
Further, in the middle load side region A2 of the partial load operation region A1, the fuel injection amount is controlled so that the air-fuel ratio A / F of the preceding
[0064]
Further, in the high load side region A3 of the partial load operation region A1, the fuel injection amount is controlled so that the air-fuel ratio A / F of the preceding
[0065]
The burned gas discharged from the preceding
[0066]
In this case, since the high-temperature burned gas discharged from the preceding
[0067]
On the other hand, in the full load region B on the high load side or the high rotation side, the normal operation mode is set, and as described above, the
[0068]
As described above, in the preceding
[0069]
In the middle load region A2 where the control in the special operation mode is executed, the preceding
[0070]
Further, in the low load region A1 of the partial load region A where it is difficult to compress and ignite the preceding
[0071]
That is, the amount of NOx generated corresponding to the air-fuel ratio A / F of the air-fuel mixture is, as shown in FIG. 10, from the point that the air-fuel ratio A / F of the air-fuel mixture becomes the stoichiometric air-fuel ratio 14.7 (λ = 1). Since the air-fuel ratio A / F tends to decrease significantly as the air-fuel ratio A / F goes to the lean side beyond the maximum point, the air-fuel ratio of the preceding
[0072]
Further, in the succeeding
[0073]
Therefore, as shown in the above embodiment, in the operation region A2 in which the preceding
[0074]
Further, in the above-described embodiment, the excess air ratio of the preceding
[0075]
Further, as shown in the above embodiment, the ignition control means 46 for accelerating the compression self-ignition of the preceding
[0076]
In the partial load region A in which the control in the special operation mode is performed, when it is difficult to cause the
[0077]
In the above-described embodiment, the control for increasing the fuel injection amount for the
[0078]
Further, as shown in the above embodiment, when the valve opening / closing control means 43 is configured to quickly close the
[0079]
In the above embodiment, the air-fuel ratio of the succeeding
[0080]
In the special operation mode, the air-fuel ratio of the succeeding
[0081]
The
[0082]
When configured as described above, the amount of NOx generated can be effectively reduced by compressing and auto-igniting the preceding
[0083]
In the above embodiment, the
[0084]
Further, an electromagnetic valve mechanism having a solenoid actuator for opening and closing the intake / exhaust air valve is provided, and the operation state of the electromagnetic valve mechanism is controlled, so that the two-cylinder connected state and each cylinder independent state are provided. Alternatively, the internal EGR amount of the preceding
[0085]
The apparatus of the present invention can also be applied to multi-cylinder engines other than four cylinders. For example, in the case of six cylinders, the exhaust stroke of one cylinder and the intake stroke of another cylinder do not completely overlap. In such a case, the exhaust stroke of one cylinder precedes the intake stroke of the other cylinder. In addition, two cylinders in which both strokes partially overlap may be used as a pair of preceding and succeeding cylinders.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a multi-cylinder spark ignition in which a fuel injection valve for supplying fuel into each cylinder is provided in the intake air introduction path, and the combustion cycle of each cylinder is set to have a predetermined phase difference. In the engine, the burned gas discharged from the preceding cylinder in the exhaust stroke between the pair of cylinders in which the exhaust stroke and the intake stroke overlap in the partial load operation region of the engine is directly transferred to the subsequent cylinder in the intake stroke. Combusting with the air / fuel ratio of the preceding cylinder set to a lean air / fuel ratio greater than the stoichiometric air / fuel ratio while the burned gas introduced through the passage and exhausted from the succeeding cylinder is guided to the exhaust passage. An operation mode for performing control of a special operation mode in which fuel is supplied to burned gas having a lean air-fuel ratio introduced from the preceding cylinder to the succeeding cylinder to burn the succeeding cylinder. And an in-cylinder temperature increasing means for compressing and auto-igniting the preceding cylinder together with the succeeding cylinder by increasing the temperature in the preceding cylinder in at least a part of the operation region in which the control of the special operation mode is executed. Ignition control means for controlling the air-fuel mixture in the preceding cylinder to be ignited forcibly in the operation region where it is difficult to perform compression self-ignition of the cylinder, and operation for forcibly igniting the preceding cylinder from the operation region in which the preceding cylinder is compressed and self-ignited The air-fuel ratio control means for controlling the air-fuel ratio of the preceding cylinder to suddenly change to the lean side at the time of transition to the region is provided, so that when the combustion is performed in the special operation mode, the thermal efficiency of the preceding cylinder due to lean combustion is provided. Improved fuel efficiency by reducing pumping loss and improving fuel efficiency by reducing pumping loss in subsequent cylinders There is an advantage that is obtained.
[0087]
Further, in the in-cylinder temperature increasing means, the in-cylinder temperature increasing means performs compression self-ignition of both the preceding cylinder and the succeeding cylinder by increasing the in-cylinder temperature of the preceding cylinder in at least a part of the specific operation region where the combustion in the special operation mode is performed. By doing so, it is possible to effectively suppress the generation of NOx, and to obtain a remarkable fuel economy improvement effect. Then, at the time of transition from the operation region in which the preceding cylinder is subjected to compression self-ignition to the operation region in which the preceding cylinder is forcibly ignited, control is performed to suddenly change the air-fuel ratio of the preceding cylinder to the lean side, thereby occurring during combustion of the preceding cylinder. There is an advantage that the amount of NOx can be remarkably reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of an entire engine including a control device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an engine body and the like.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a combustion cycle, valve opening timing, and the like of a preceding cylinder and a succeeding cylinder.
FIG. 4 is a perspective view showing a specific configuration of switching means.
FIG. 5 is a block diagram of a control system.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of operation region setting for performing control according to an operation state.
FIG. 7 is a diagram showing an exhaust stroke, an intake stroke, a fuel injection timing, an ignition timing, and the like of each cylinder.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing substantial fresh air and gas flow paths during low load and low rotation.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing substantial fresh air and gas flow paths when in an operating region on a high load, high and low rotation side.
FIG. 10 is a graph showing a correspondence relationship between the air-fuel ratio and the NOx generation amount.
FIG. 11 is a schematic plan view showing an entire engine according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Engine body
2A to 2D cylinder
9 Fuel injection valve
15 Intake passage
20 Exhaust passage
22 Gas passage between cylinders
43 Valve opening / closing control means (operation mode control means)
44 Intake air amount control means (air-fuel ratio control means)
45 Fuel injection control means (air-fuel ratio control means)
55 Ignition control means
Claims (7)
エンジンの部分負荷運転領域で、排気行程と吸気行程とが重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出される既燃ガスが排気通路に導かれるような2気筒接続状態としつつ、先行気筒の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比として燃焼を行わせ、この先行気筒から後続気筒に導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して後続気筒の燃焼を行わせる特殊運転モードの制御を実行する運転モード制御手段と、
上記特殊運転モードの制御が実行される運転領域の少なくとも一部で先行気筒内の温度を上昇させることにより後続気筒とともに先行気筒を圧縮自己着火させる筒内温度上昇手段と、
この先行気筒を圧縮自己着火させることが困難な運転領域では先行気筒内の混合気を強制着火させるように制御する点火制御手段と、
上記先行気筒を圧縮自己着火させる運転領域から先行気筒を強制点火させる運転領域への移行時に、先行気筒の空燃比をリーン側に急変させるように制御する空燃比制御手段とを備えたことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。A control device for a multi-cylinder spark ignition engine in which a fuel injection valve for supplying fuel into each cylinder is provided in an intake air introduction path, and a combustion cycle of each cylinder is set to have a predetermined phase difference. ,
In the partial load operation region of the engine, the burnt gas discharged from the preceding cylinder in the exhaust stroke between a pair of cylinders in which the exhaust stroke and the intake stroke overlap is directly passed to the subsequent cylinder in the intake stroke via the inter-cylinder gas passage. The combustion is performed with the air-fuel ratio of the preceding cylinder set to be a lean air-fuel ratio larger than the stoichiometric air-fuel ratio while the two-cylinder connection state is established in which the burned gas discharged from the subsequent cylinder is introduced into the exhaust passage. An operation mode control means for performing control in a special operation mode in which fuel is supplied to burned gas having a lean air-fuel ratio introduced from the preceding cylinder to the succeeding cylinder to burn the succeeding cylinder;
In-cylinder temperature increasing means for compressing and self-igniting the preceding cylinder together with the succeeding cylinder by increasing the temperature in the preceding cylinder in at least a part of the operation region in which the control of the special operation mode is performed,
An ignition control means for controlling the air-fuel mixture in the preceding cylinder to be forcedly ignited in an operation region where it is difficult to perform compression self-ignition of the preceding cylinder;
Air-fuel ratio control means for controlling the air-fuel ratio of the preceding cylinder to suddenly change to the lean side at the time of transition from the operation region in which the preceding cylinder is subjected to compression self-ignition to the operation region in which the preceding cylinder is forcibly ignited. A spark ignition engine control device.
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