JP2006029341A - Control device for 4-stroke engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は4ストロークエンジンの制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a four-stroke engine.
4ストロークエンジンにおいては通常機関吸気通路内に配置されたスロットル弁により機関出力が制御される。しかしながらこのようにして機関出力を制御するとスロットル弁開度が小さいときに大きなポンピング損失が発生する。そこでこのようなポンピング損失が発生するのを阻止するためにスロットル弁を取除き、吸気弁の閉弁時期を変えることによって機関出力を制御するようにした内燃機関が公知である(特許文献1を参照)。 In a 4-stroke engine, the engine output is normally controlled by a throttle valve disposed in the engine intake passage. However, when the engine output is controlled in this way, a large pumping loss occurs when the throttle valve opening is small. Therefore, an internal combustion engine in which the engine output is controlled by removing the throttle valve in order to prevent the occurrence of such a pumping loss and changing the closing timing of the intake valve is known (Patent Document 1). reference).
一方、2ストロークエンジンにおいて燃焼室内に多量の既燃ガスを残留させると燃焼室内に供給された新気中の燃料が高温の既燃ガスによって熱分解され、その結果ラジカルが生成される。このようにラジカルが生成されると燃料は点火栓によらずに自己着火する。この自己着火は燃焼室内全体において同時に多点的に生ずるためにこのような自己着火を生ずると燃焼室内全体の混合気が良好に燃焼せしめられることになる。その結果、熱効率が向上し、斯くして燃料消費率が向上する。また、この自己着火は燃焼室内全体において同時に多点的に生ずるために燃焼室内における燃焼温が局所的に高くなることがなく、斯くしてNOxの発生を抑制することができる。 On the other hand, when a large amount of burned gas remains in the combustion chamber in a two-stroke engine, fresh fuel supplied into the combustion chamber is thermally decomposed by the high-temperature burned gas, and as a result, radicals are generated. When radicals are generated in this way, the fuel self-ignites regardless of the spark plug. Since this self-ignition occurs simultaneously at multiple points in the entire combustion chamber, if such self-ignition occurs, the air-fuel mixture in the entire combustion chamber can be burned well. As a result, the thermal efficiency is improved, and thus the fuel consumption rate is improved. In addition, since this self-ignition occurs at multiple points in the entire combustion chamber at the same time, the combustion temperature in the combustion chamber does not increase locally, and therefore generation of NOx can be suppressed.
そこでクランク室圧縮式の2ストロークエンジンにおいて排気ポートの開口面積を機関回転数とスロットル開度に応じて制御することにより自己着火を生じさせるようにしたものが公知である(特許文献2を参照)。
ところで2ストロークエンジンは本来的に多量の既燃ガスが残留する燃焼方法を採用しているので自己着火を比較的容易に生じさせることができる。しかしながら4ストロークエンジンは本来的に既燃ガスをできる限り残留させない燃焼方法を採用しているので4ストロークエンジンにおいて自己着火を生じさせるのは2ストロークエンジンほど容易ではない。 By the way, since the two-stroke engine employs a combustion method in which a large amount of burned gas remains essentially, self-ignition can be caused relatively easily. However, since a 4-stroke engine inherently employs a combustion method that leaves as much burned gas as possible, it is not as easy to cause self-ignition in a 4-stroke engine as in a 2-stroke engine.
また、自己着火を生じさせれば上述したように燃料消費率を向上させることができるがこのときポンピング損失が発生すると自己着火による燃料消費率向上のメリットも半減してしまう。従ってポンピング損失が生ずることなく自己着火を生じさせることが重要となってくる。
ところで上述したように吸気弁の閉弁時期を変えることにより機関出力を制御すればポンピング損失の発生を阻止することができる。しかしながらこのように吸気弁の閉弁時期を制御しただけでは自己着火を生じさせるのは困難である。
Further, if self-ignition is caused, the fuel consumption rate can be improved as described above. However, if a pumping loss occurs at this time, the merit of improving the fuel consumption rate by self-ignition is also halved. Therefore, it is important to cause self-ignition without causing a pumping loss.
By the way, if the engine output is controlled by changing the closing timing of the intake valve as described above, the generation of pumping loss can be prevented. However, it is difficult to cause self-ignition only by controlling the closing timing of the intake valve in this way.
本発明の目的は、4ストロークエンジンにおいてポンピング損失の発生を阻止しつつ自己着火を生じさせうる制御装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a control device capable of causing self-ignition while preventing generation of pumping loss in a four-stroke engine.
上記目的を達成するために本発明によれば、点火栓を備えた4ストロークエンジンにおいて、機関負荷が低負荷から中負荷に亘る予め定められた負荷範囲内にあるときには、燃焼室内に供給された吸入空気温が自己着火しうる温度まで上昇するように吸気弁の開閉弁時期および排気弁の開閉弁時期を制御して点火栓によらない自己着火を生じさせ、機関負荷が上記負荷範囲外であるときには点火栓により着火するようにしている。 In order to achieve the above object, according to the present invention, in a four-stroke engine equipped with a spark plug, when the engine load is within a predetermined load range from low load to medium load, it is supplied into the combustion chamber. The intake valve on / off valve timing and the exhaust valve on / off valve timing are controlled so that the intake air temperature rises to a temperature at which self-ignition can occur. In some cases, it is ignited by a spark plug.
4ストロークエンジンにおいて機関負荷が低負荷から中負荷に亘る予め定められた負荷範囲にあるときには自己着火を生じさせることができる。機関負荷がこの負荷範囲外のときには点火栓による通常の燃焼が行われる。 In a four-stroke engine, when the engine load is in a predetermined load range from low load to medium load, self-ignition can be caused. When the engine load is outside this load range, normal combustion is performed by the spark plug.
図1を参照すると、1は4ストロークエンジン本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は点火栓、7は吸気弁、8は吸気弁駆動用アクチュエータ、9は吸気ポート、10は排気弁、11は排気弁駆動用アクチュエータ、12は排気ポートを夫々示す。吸気ポート9は対応する吸気枝管13を介してサージタンク14に連結され、各吸気枝管13には夫々燃料噴射弁15が取付けられる。サージタンク14は吸気ダクト16を介してエアクリーナ17に連結され、吸気ダクト16内には電気モータ18により駆動されるスロットル弁19が配置される。一方、排気ポート12は排気マニホルド20に連結され、排気マニホルド20内には空燃比センサ21が配置される。
Referring to FIG. 1, 1 is a 4-stroke engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is a spark plug, 7 is an intake valve, 8 is an intake valve drive actuator, Reference numeral 9 denotes an intake port, 10 denotes an exhaust valve, 11 denotes an exhaust valve driving actuator, and 12 denotes an exhaust port. The intake port 9 is connected to a surge tank 14 via a corresponding
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。空燃比センサ21の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して点火栓6、アクチュエータ8,11、燃料噴射弁15および電気モータ18に接続される。
The
図2に吸気弁駆動用アクチュエータ8の拡大図を示す。図2を参照すると、50は吸気弁7の頂部に取付けられた円板状鉄片、51,52は鉄片50の両側に配置されたソレノイド、53,54は鉄片50の両側に配置された圧縮ばねを夫々示す。ソレノイド51が付勢されると鉄片50が上昇し、吸気弁7が閉弁する。これに対してソレノイド52が付勢されると鉄片50が下降し、吸気弁7が開弁する。従って各ソレノイド51,52の付勢タイミングを制御することによって吸気弁7を任意の時期に開弁し、閉弁することができる。排気弁駆動用アクチュエータ11も図2に示す吸気弁駆動用アクチュエータ8と同じ構造を有しており、従って排気弁10も任意の時期に開弁し、閉弁することができる。
FIG. 2 shows an enlarged view of the intake valve driving actuator 8. Referring to FIG. 2, 50 is a disc-shaped iron piece attached to the top of the
図3は吸気弁7の開弁時期IO、吸気弁7の閉弁時期IC、排気弁10の開弁時期EO、排気弁10の閉弁時期ECおよびスロットル弁19の開度θを示している。なお、図3において横軸はアクセルペダル40の踏込み量L、即ち要求負荷を表わしている。本発明による実施例では機関低負荷から中負荷に至る予め定められた負荷範囲において自己着火を生じさせることを意図しており、この負荷範囲が図3において自己着火領域として示されている。
FIG. 3 shows the opening timing IO of the
図3に示されるように排気弁10の開弁時期EOは要求負荷Lにかかわらずに圧縮下死点BDCの少し手前のクランク角に固定されている。一方、自己着火領域内においては排気弁10の閉弁時期ECは吸気上死点TDCよりも少し手前に設定されており、しかも排気弁10の閉弁時期ECは要求負荷Lが低くなるほど早められる。排気弁10の閉弁時期ECが早められると燃焼室5内に残留する既燃ガスが増大し、燃焼室5内に残留する既燃ガスが増大すると吸気行程時に燃焼室5内に供給される吸入空気量が減少する。即ち、要求負荷Lが低くなるほど吸入空気量が減少することになる。
As shown in FIG. 3, the valve opening timing EO of the
一方、図3に示されるように自己着火領域のほぼ全領域に亘ってスロットル弁19は全開状態に保持されており、従って要求負荷Lに対する吸入空気量の制御は排気弁10の閉弁時期を変化させることによって、即ち残留既燃ガス量を変化させることによって行われる。従ってポンピング損失を発生することなく要求負荷Lに応じて機関出力を制御できることになる。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the
図3に示されるように自己着火領域内においては吸気弁7の開弁時期IOは吸気上死点TDCを若干越えたときに設定されており、しかも吸気弁7の開弁時期IOは要求負荷Lが低くなるほど遅くなる。吸気弁7の開弁時期IOが遅くなると吸入空気量が減少する。従って吸気弁7の開弁時期IOの制御も要求負荷Lに応じて機関出力を制御する役目を果している。
As shown in FIG. 3, in the self-ignition region, the valve opening timing IO of the
一方、自己着火は燃焼室5内に供給された吸入空気温がほぼ1000°Kに達すると生じることが判明している。吸入空気は既燃ガスにより加熱されて温度上昇するので燃焼室5内に供給された吸入空気の温度がほぼ1000°Kまで上昇せしめられるか否かは燃焼室5内に残留している既燃ガスの熱エネルギに依存している。図3に示されるように要求負荷Lが低くなると排気弁10の閉弁時期ECが早められるので残留既燃ガス量が増大し、この点からみると既燃ガスの熱エネルギは要求負荷Lが低くなるほど増大することになる。一方、要求負荷Lが低くなるほど燃焼温が低くなるのでこの点からみると既燃ガスの熱エネルギは要求負荷Lが低くなるほど減少する。総合的にみると既燃ガスの熱エネルギは要求負荷Lが低くなるほど減少することになる。
On the other hand, it has been found that self-ignition occurs when the intake air temperature supplied into the
一方、要求負荷Lが高くなると残留既燃ガス量が減少するが燃焼温が高くなるために既燃ガス温が高くなる。この場合、総合的にみると既燃ガスの熱エネルギは要求負荷Lが高くなるほど減少する。即ち、要求負荷Lが低くもなく高くもないときには残留既燃ガス量が比較的多く、残留既燃ガス温も比較的高いのでこのときに既燃ガスの熱エネルギが最も高くなる。即ち、残留既燃ガスの熱エネルギは要求負荷Lに対して図4に示されるように変化する。 On the other hand, when the required load L increases, the amount of residual burned gas decreases, but the burnt gas temperature increases because the combustion temperature increases. In this case, when viewed comprehensively, the thermal energy of the burned gas decreases as the required load L increases. That is, when the required load L is neither low nor high, the amount of residual burned gas is relatively large, and the residual burned gas temperature is also relatively high. At this time, the thermal energy of the burned gas becomes the highest. That is, the thermal energy of the residual burned gas changes as shown in FIG.
残留既燃ガスの熱エネルギが高いときには圧縮比が低くても吸入空気温はほぼ1000°Kに達し、残留既燃ガスの熱エネルギが低いときには圧縮比を高くして吸入空気を昇温させないと吸入空気温はほぼ1000°Kに達しない。一方、吸気弁7の閉弁時期ICは吸気下死点BDC後において遅くすれば遅くするほど圧縮比は低くなる。従って残留既燃ガスの熱エネルギが最も高いときに圧縮比が最も小さくなるように吸気弁7の閉弁時期ICは図3に示される如く要求負荷Lの増大に伴い次第に遅くされた後に次第に早められる。自己着火領域における吸気弁7の開弁時期IOおよび閉弁時期IC、並びに排気弁10の閉弁時期ECを図3に示すように制御することによって図3に示す自己着火領域内において自己着火を生じさせることができる。
When the residual burned gas has a high thermal energy, the intake air temperature will reach about 1000 ° K even if the compression ratio is low, and when the residual burned gas has a low thermal energy, the compression ratio must be increased to raise the intake air temperature. The intake air temperature does not reach nearly 1000 ° K. On the other hand, if the valve closing timing IC of the
図3に示されるように要求負荷Lが自己着火領域よりも低いときには自己着火は生じず、このときには点火栓6による通常の燃焼が行われる。このときには要求負荷Lに応じてスロットル弁19の開度を制御することにより機関出力が制御される。また、要求負荷Lが自己着火領域よりも高いときにも自己着火は生じず、このときにも点火栓6による通常の燃焼が行われる。ただし、このときには吸気弁7の開弁期間および排気弁10の開弁期間を要求負荷に応じて変えることにより機関出力が制御される。
As shown in FIG. 3, when the required load L is lower than the self-ignition region, self-ignition does not occur, and at this time, normal combustion by the spark plug 6 is performed. At this time, the engine output is controlled by controlling the opening degree of the
本発明による実施例では自己着火を広範囲の運転状態に亘って生じさせるために空燃比が理論空燃比に制御される。空燃比を理論空燃比とするのに必要な基本噴射時間TPは機関回転数Nおよび要求負荷Lの関数として図5に示すマップの形で予めROM32内に記憶されており、この基本噴射時間TPを空燃比センサ21の出力信号に基づき補正することによって空燃比が理論空燃比に維持される。
In an embodiment according to the present invention, the air-fuel ratio is controlled to the stoichiometric air-fuel ratio in order to cause self-ignition over a wide range of operating conditions. The basic injection time TP necessary for setting the air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio is stored in advance in the
図6に機関の運転制御ルーチンを示す。図6を参照するとまず初めにステップ60において図3に示される要求負荷Lに応じた吸気弁7の開弁時期IOと閉弁時期ICが算出され、次いでステップ61において図3に示される要求負荷Lに応じた排気弁10の開弁時期EOと閉弁時期ECが算出される。次いでステップ62では図3に示される要求負荷Lに応じたスロットル弁19の開度θが算出される。次いでステップ63では図5に示されるマップから基本噴射時間TPが算出され、次いでステップ64では空燃比センサ21の出力信号に基づき空燃比が理論空燃比となるよう基本噴射時間TPを補正することによって噴射時間TAUが算出される。
FIG. 6 shows an engine operation control routine. Referring to FIG. 6, first, at
7 吸気弁
10 排気弁
15 燃料噴射弁
7
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