JP2006125250A

JP2006125250A - ガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法

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Publication number: JP2006125250A
Application number: JP2004312766A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Taniguchi; 聡谷口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】エンジンの高効率化を図ることを可能にするガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法を提供することを課題とする。
【解決手段】燃焼室に臨んで設けられた直噴インジェクタおよび点火プラグを備え、成層燃焼モードを少なくとも一部の運転領域にて行うガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法において、成層燃焼モードにおける筒内圧が直噴インジェクタの噴射圧よりも低い運転領域においては、直噴インジェクタからの燃料噴射の終了前に点火プラグによる点火が実行されるように制御することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃焼室に臨んで設けられた直噴インジェクタおよび点火プラグを備え、成層燃焼モードを少なくとも一部の運転領域にて行うガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法に関する。

従来より、圧縮天然ガス（以下、ＣＮＧと称す）などを燃料とする、いわゆるガス燃料エンジンが開発されている。そして、このガス燃料エンジンにおいて、燃焼室でのガス燃料の燃焼を制御して燃費向上などを図るべく、機関運転領域に基づいて燃焼室へのガス燃料の噴射時期を制御することが提案されている。

例えば、特許文献１には、ガス燃料エンジンにおいて、機関運転領域が低負荷側と高負荷側とで燃焼室へのガス燃料の噴射時期を分けて制御し、低負荷運転領域では圧縮行程末期にガス燃料が噴射され、高負荷運転領域では圧縮行程初期又は吸気行程にガス燃料が噴射されることが述べられている。すなわち、低負荷運転領域では成層燃焼モード運転が行われ、高負荷運転領域では均質燃焼モード運転が行われることが述べられている。

特開２００４−０７６６８６号公報

ところで、特許文献１に記載されたようなガス燃料エンジンの低負荷運転領域においては、上記の如く成層燃焼モード運転が行われるが、その際点火プラグ近傍にガス燃料を集めた状態で点火すべく、燃料噴射後から点火までの間隔を短くすることが行われている。また、点火までにガス燃料が拡散するのを防止すべく、その燃料噴射前の吸気行程において吸気に過度の乱れを生じさせないようにスロットル弁の開度は絞られている。しかしながら、近年、燃費向上などの観点から、さらなる高効率化が望まれているが、上記特許文献１に記載のガス燃料エンジンでは、例えば燃料噴射後から点火までに所定の間隔があくため噴射燃料の拡散が生じたり、スロットル弁の開度を大きくすることができなかったりするので、より一層の高効率化を図ることが難しいという問題がある。

そこで、本発明は、エンジンの高効率化を図ることを可能にするガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法を提供することを課題とする。

上記目的を達成する本発明の一形態に係るガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法は、燃焼室に臨んで設けられた直噴インジェクタおよび点火プラグを備え、成層燃焼モードを少なくとも一部の運転領域にて行うガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法において、成層燃焼モードにおける筒内圧が直噴インジェクタの噴射圧よりも低い運転領域においては、直噴インジェクタからの燃料噴射の終了前に点火プラグによる点火が実行されるように制御することを特徴とする。

また、点火の実行により発生した点火火炎が直噴インジェクタに届く前に燃料噴射が終了するように点火時期を制御することが好ましい。

さらに、成層燃焼モードにおける筒内圧が直噴インジェクタの噴射圧よりも高い運転領域においては、直噴インジェクタからの燃料噴射の終了後に点火プラグによる点火が実行されるように切り替え制御することが好ましい。

さらに、成層燃焼モードにおける筒内圧が直噴インジェクタの噴射圧よりも低い運転領域において、直噴インジェクタからの燃料噴射期間が所定値よりも長いときは、点火時期から燃料噴射の終了までのインターバルを固定したまま燃料噴射の開始時期を進角側に変更し、且つ、直噴インジェクタからの燃料噴射期間が所定値よりも短いときは、インターバルを固定したまま燃料噴射の開始時期を遅角側に変更することが好ましい。

さらに、進角側に変更される燃料噴射の開始時期が噴射進角限界値を超えるときは、噴射進角限界値との差を算出し、燃料噴射の開始時期を噴射進角限界値に設定すると共に、インターバルを固定したまま点火時期および燃料噴射の終了時期を差分遅角側に補正し、且つ、遅角側に変更される燃料噴射の開始時期が噴射遅角限界値を超えるときは、噴射遅角限界値との差を算出し、燃料噴射の開始時期を噴射遅角限界値に設定すると共に、インターバルを固定したまま点火時期および燃料噴射の終了時期を差分進角側に補正して、設定することが好ましい。

さらに、遅角側または進角側に補正された点火時期が、点火遅角限界値または点火進角限界値のいずれかを超えるときには、直ちに均質燃焼モード運転に切り替えることが好ましい。

本発明の一形態によれば、成層燃焼モードにおける筒内圧が直噴インジェクタの噴射圧よりも低い運転領域では、直噴インジェクタからの燃料噴射の終了前に点火プラグによる点火が実行されるので、ガス燃料の拡散を最小限に抑えて点火プラグ周りにガス燃料を集めた状態で点火されることになる。その結果、スロットル弁の開度を大きくしてポンプ損失を低減でき、吸気とガス燃料との混合気の全空燃比を希薄化することが可能であり、エンジンの高効率化を図ることが可能になる。さらに、燃料噴射中に点火されるので、燃焼室内の空気に乱れがあってもガス燃料が点火プラグ近傍から拡散される前に点火できるので、乱れによる燃焼改善効果が大きく作用し、エンジンの高効率化が図れる。

また、点火の実行により発生した点火火炎が直噴インジェクタに届く前に燃料噴射が終了するように点火時期を制御する形態によれば、点火により筒内の圧力が急激に上昇して、直噴インジェクタからの燃料ガスの噴射圧力よりも筒内圧が高くなっても、確実に直噴インジェクタからガス燃料を噴射することが可能になる。

以下、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照しつつ説明する。
まず、図１を参照して、本発明が適用されるガス燃料直噴エンジン１００の概要を説明する。１０１はエンジン本体、１０２はシリンダブロック、１０３はシリンダヘッド、１０４はピストン、１０５は燃焼室、１０６は吸気ポート、１０７は排気ポート、１０８Ｉは吸気弁、１０８Ｅは排気弁、１０９は燃焼室１０５内の頂部に配置された点火プラグをそれぞれ示している。

吸気ポート１０６は吸気マニフォルド１１０を介してサージタンク１１１に接続され、サージタンク１１１は吸気ダクト１１２を介してエアクリーナ１１３に接続されている。吸気ダクト１１２内にはステップモータ１１４により駆動されるスロットル弁１１５が配置されている。一方、排気ポート１０７は排気マニフォルド１１６および排気管１１７を介してＮＯｘ吸蔵触媒コンバータ１１８に接続されている。また、１１９ａはエンジン冷却水温を検出するための水温センサであり、１１９ｂはシリンダブロック１０２に伝わるノックによる高周波振動を検出するためのノックセンサである。

図１のエンジン１００は、ガス燃料としてＣＮＧを用いるガス燃料供給系を備え、このガス燃料供給系は、筒内の燃焼室１０５に噴射口を介して噴射可能に配置されたガス燃料の直噴インジェクタとしてのＣＮＧ直噴インジェクタ１２０を具備している。このＣＮＧ直噴インジェクタ１２０は、ＣＮＧ供給ライン１２２を介し車載されたガス燃料容器としてのＣＮＧボンベ１２４に接続されている。なお、ＣＮＧ供給ライン１２２内には、図示しない燃料遮断弁および高圧レギュレータ１２６、およびガス燃料の燃料圧を計測する燃料圧センサ１２７、ガス燃料の燃料温度を検出する温度センサ１２８が配置されている。

ＣＮＧボンベ１２４内に、充填圧力ＰＦ（例えば、２０ＭＰａ）で充填されているＣＮＧは、高圧レギュレータ１２６により一定の高調節圧ＰＨ（例えば、５ＭＰａ）まで減圧され、通常の成層燃焼モードでのエンジン制御状態では、この高調節圧ＰＨでもってＣＮＧ直噴インジェクタ１２０から筒内に圧縮行程で噴射される。この高調節圧ＰＨは、概して運転状態にかかわらず圧縮行程で筒内噴射が可能な圧力である。このＣＮＧ直噴インジェクタ１２０は、電子制御ユニット３００からの出力信号に基づいて制御される。

さらに、図２に拡大して示すように、上述の点火プラグ１０９が吸気ポート１０６と排気ポート１０７との間の燃焼室１０５の上部中央に配設されている。そして、ガス燃料の直噴インジェクタとしてのＣＮＧ直噴インジェクタ１２０が吸気ポート１０６側にその噴射口がシリンダ中心線に対し所定の角度、傾斜されて配設されている。さらに、ピストン１０４の上部には、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの噴射方向に適合されたピストンキャビティ１０４Ｃが、吸気ポート１０６側にオフセットされて形成されている。なお、このピストンキャビティ１０４ＣはＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの噴流が回り込んで点火プラグ１０９のギャップ付近に乱れを生起するように吸気ポート１０６側にオフセットされた舟底状に形成されている。また、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０のピストンキャビティ１０４Ｃに対する噴霧角および噴霧形状は、ピストンキャビティ１０４Ｃでガス燃料が成層燃焼可能になるように設定されている。

再度図１に戻り、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）３００はデジタルコンピュータからなり、周知の如く、双方向性バスを介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２０、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３０、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４０、常時電源に接続されているＢ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）３５０、入力ポート３６０、および出力ポート３７０等を具備している。

また、吸気マニフォルド１１０に接続されたサージタンク１１１には、サージタンク１１１内の絶対圧に比例した出力電圧を発生する圧力センサ１４０が取り付けられている。ＣＮＧボンベ１２４の出口のＣＮＧ供給ライン１２２内には、ＣＮＧボンベ１２４内の残存ＣＮＧ量、すなわち、残圧に比例した出力電圧を発生するＣＮＧ残圧センサ１４１が配置されている。これらセンサ１４０および１４１の出力電圧は、それぞれ、対応するＡＤ変換器を介してＥＣＵ３００の入力ポートに入力される。さらに、入力ポートには、エンジン回転数Ｎを表す出力パルスを発生する回転数センサ１４３、スロットル弁１１５の回動角度を検出するスロットル開度センサ１４４、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ１４５等が接続されている。一方、ＥＣＵ３００の出力ポートは、それぞれ、対応する駆動回路を介して、点火プラグ１０９、ステップモータ１１４、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０等に接続されている。

本実施の形態では、成層燃焼モードにおいて、噴流起因による乱れを有効に利用するために、燃料の噴射開始時期から噴射終了時期までの燃料噴射期間に対して、点火時期が以下に説明するように設定され、この設定に必要とされるデータは、上述のＲＯＭ３２０にマップ化されたデータとして格納されている。

まず、上記構成における本発明に係るガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法を詳述する前に、本発明の特徴の概略を説明する。

一般的に、点火は、上死点（ＴＤＣ）前１５°とか１０°というように表現されるように、上死点に至る前に行われる。これは上死点に達してから点火したのでは、燃え広がる前にピストン１０４は下降し始め、熱膨張によるエネルギーが有効にピストン１０４を押し下げるパワーにならないからである。つまり、大きな出力を得るためには、上死点前に点火を行い、ちょうど火炎が広がったときにピストン１０４が上死点にくるようなタイミングで点火することが好ましい。

一方、成層燃焼モード運転を行っているときには、噴射されたガス燃料がピストンキャビティ１０４Ｃにより点火プラグ１０９周りに有効に集められている状態で、該ガス燃料に点火すべく、燃料噴射の終了後にさほど時間をおかずに点火が実行されるのが好ましい。

それ故、従来では、図３上段に燃焼制御形態（β）として示すように、燃料噴射期間の終了後、一定のインターバルをあけて、概して上死点（ＴＤＣ）に至る前に点火が行われている。

しかしながら、図４に示すように、ガス燃料の噴射圧力が、圧縮行程時および燃焼・膨張行程に亘る筒内圧よりも常に高いときには、噴射時期をさらに遅らせて、最も点火プラグ１０９周りに噴射されたガス燃料が集められた状態で点火すべく、図３下段に燃焼制御形態（α）として示す如く、噴射終了前に点火をすることが可能である。点火後の最大の筒内圧が、燃料の噴射圧よりも低いのであれば、例え点火後にＣＮＧ直噴インジェクタ１２０周りに火炎が到達するような場合でも、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０に噴射燃料が逆流するなどといったことが生じないと考えられるからである。そして、燃料噴射期間中に点火が行われると、空気とガス燃料との混合気の周りに空気だけの領域が多く、混合気の全空燃比を超希薄化することが可能である。その結果、燃費向上を図ることができて且つエンジン１００の高効率化を図ることが可能になる。

そこで、本発明に係るガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法は、成層燃焼モードにおける筒内圧が、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０の噴射圧よりも低い運転領域においては、直噴インジェクタからの燃料噴射の終了前に点火プラグ１０９による点火が実行されるように制御することを特徴とするものである。逆にいえば、成層燃焼モードにおける筒内圧が、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０の噴射圧よりも高い場合があるのならば、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの燃料噴射終了後に点火プラグ１０９による点火が実行されることになる。

以下に、図５のフローチャートに基づいて、燃料噴射の終了前に点火することで成層燃焼モード運転のエンジン効率をさらに向上させる制御例を説明する。なお、図５の制御ルーチンは、所定時間毎に実行されるルーチンである。

まず、ステップＳ５０１で、成層燃焼モード運転を行う運転領域か、均質燃焼モード運転を行う運転領域かを調べるべく、成層燃焼条件を満たすか否かが判別される。ここでは、スロットル開度センサ１４４やアクセル開度センサ１４５により検出されたエンジン負荷および回転数センサ１４３により検出されたエンジン回転数に基づき、エンジン１００がどの運転領域にあるのかが、予め実験により求めて記憶されているマップ化されたデータを照合することで判別される。そして、成層燃焼条件を満たすと判別されると、ステップＳ５０２へ進む。なお、成層燃焼条件を満たさないと判別されると、ステップＳ５０７に進み、均質燃焼モード運転の燃焼制御が行われる。

そこで、ステップＳ５０２では、噴射圧、すなわち燃料圧が検出される。これは、燃料圧センサ１２７を用いて検出される。尚、この燃料圧センサ１２７は、不図示のデリバリパイプに設置されるのが好ましい。

そして、ステップＳ５０３では、筒内圧が推定される。すなわち、この圧縮行程から燃焼・膨張行程に亘るこの燃焼室１０５内の筒内圧の値は、上述のエンジン回転数、エンジン負荷などに基づく機関運転状態に対応させ、予め実験により求められ筒内圧マップに格納されており、このマップを照合することにより所定の運転状態における筒内圧が推定される。なお、この筒内圧としては、図４に示す如く、圧縮行程から燃焼・膨張行程に亘り変化する圧力変化の全てでも良いが、最高圧力のみでも良い。また、この筒内圧は、例えば各気筒に筒内圧センサを配置することにより直接に求めても良い。

噴射圧と筒内圧が求められると、ステップＳ５０４で、燃料噴射期間に点火されて筒内圧が急上昇しても、筒内圧が噴射圧を超えてＣＮＧ直噴インジェクタ１２０に逆流が起こることを防止すべく、噴射圧が筒内圧より常に大きいか否かが判別される。そして、噴射圧の方が筒内圧より大きいと判別されると、ステップＳ５０５へ進み、前述の燃焼制御形態（α）を実行すべく、後述のマップＡを用いて燃焼制御が行われることになる。一方、噴射圧の方が筒内圧より大きくない、すなわち筒内圧が一時的にでも噴射圧を越えるときがあると判別されると、ステップＳ５０６へ進み、前述の燃焼制御形態（β）を実行すべく、後述のマップＢを用いて燃焼制御が行われることになる。

ここで、上記マップＡは少なくとも燃料噴射期間中に、すなわち燃料噴射の終了前に点火を行う燃焼制御を含み、そして上記マップＢは燃料噴射期間後、すなわち燃料噴射の終了後に点火を行う燃焼制御のみに用いられるマップであることが必要である。本実施形態では、上記マップＡとは、この条件を満たしつつ、噴射時期、燃料噴射期間、点火時期、スロットル開度、ＥＧＲ弁開度、可変ノズルターボ過給機の可変ノズル開度等との関係を、機関運転状態に応じて表したマップであり、燃料噴射期間に点火時期が重なる関係の成り立つマップとされている。一方、上記マップＢとは、上記マップＡと同様に、上記条件を満たしつつ、噴射時期、燃料噴射期間、点火時期、スロットル開度、ＥＧＲ弁開度、可変ノズルターボ過給機の可変ノズル開度等との関係を、機関運転状態に応じて表したマップであり、燃料噴射期間と点火時期が重ならない関係の成り立つマップとされている。なお、エンジン回転数やエンジン負荷などに基づく機関運転状態により燃料噴射量は変化するので、これらの燃料噴射期間はこの燃料噴射量に基づき変化する。

ここで、例えば、上記の如くマップＡより燃料噴射期間に、すなわち噴射開始時期と噴射終了時期との間に点火する制御をする場合に、点火火炎がＣＮＧ直噴インジェクタ１２０にとどいた後にも噴射されていることとすると、噴射しながらの着火となり、全く燃焼しないか、又は拡散燃焼となるので筒内圧が急上昇して結局燃焼ガス等がＣＮＧ直噴インジェクタ１２０に逆流したり、未燃ＨＣが増加して効率が低下したり、ＰＭ排出量の増加等の現象が生じたりする可能性がある。そこで、本実施形態では、点火の実行により発生した点火火炎がＣＮＧ直噴インジェクタ１２０に届く前に燃料噴射が終了するように点火時期を制御することとし、これらの不具合の発生を抑制しつつ成層燃焼の効率を高めるようにしている。なお、このような点火時期は、予め実験により求められてマップＡに反映されている。

ところで、ＣＮＧはガス燃料、つまり気体であるため、燃料温度や燃料圧による体積変化が大きく、それに起因して所定量の燃料を噴射するに際してその燃料噴射期間が大きく変動することになる。そこで、上記の如く、より高効率、つまりより良い出力を得るために上死点付近で最大の圧力を得るべく、噴射開始時期や噴射終了時期を含めて燃料噴射期間および点火時期をある条件下に制御しなければならない。つまり、燃焼制御に際しては、燃料温度や燃料圧による燃料の体積変化を考慮することが好ましい。

そのため、ステップＳ５０５でマップＡが選択されたり、ステップＳ５０６でマップＢが選択されたりしたときには、燃焼を適切に行わせるべく、噴射開始時期や噴射終了時期もガス燃料の状態に応じて制御した方が好ましい。そこで、ステップＳ５０５でマップＡが選択されたり、ステップＳ５０６でマップＢが選択されたりしたときに、噴射開始時期や噴射終了時期を補正して、適切に燃焼が行われるようにする燃焼制御の制御例を、図６および図７に基づいて、以下に説明する。なお、図６および図７の燃焼制御のフローチャートは、一つのフローチャートにまとめることが可能であるが、説明の便宜上、独立して示している。また、以下に説明する如く、図５のフローチャートによる制御に続いて、図６および図７のフローチャートによる制御が行われる。

始めに、燃料温度や燃料圧によりガス燃料の体積が増加した結果、燃料噴射期間が、予め実験により求めて記憶されている基準（ベース）となる燃料噴射期間よりも長くなった場合について、図６に基づいて説明する。なお、図６の燃焼制御ルーチンは、所定時間毎に実行されるルーチンである。また、予め実験により求めて記憶されている基準（ベース）となる燃料噴射期間ＢＰとは、マップＡやマップＢにより求められる燃料噴射期間であり、この燃料噴射期間における噴射終了時期には、一つの点火時期が対応付けられている。

図６の燃焼制御ルーチンに従って、まずステップＳ６０１でマップＡ又はマップＢが選択されているのか否かが判別される。これは図５において、ステップＳ５０５又はステップＳ５０６に進んだ際に、例えばフラグを立てる等の制御が行われ、そのフラグが立っているか否かで判別されうる。マップＡ又はマップＢが選択されていると判別されると、ステップＳ６０２へ進む。

そして、ステップＳ６０２では、機関運転状態に応じて変化する現在の燃料噴射量を、現在の燃料圧や燃料温度に基づいて補正して、噴射するのに必要とされる現実の燃料噴射期間が導き出される。具体的には、まず燃料圧センサ１２７により燃料圧が検出されると共に、温度センサ１２８により燃料温度が検出される。そして、燃料圧、燃料温度、および現在の燃料噴射量に対応する基準となる燃料噴射期間ＢＰを、予め実験により求めてマップ化されているデータに照合して、現在の燃料噴射量に対応する現実の燃料噴射期間が導き出される。

現実の燃料噴射期間が導出されて、この燃料噴射期間が、マップＡ又はマップＢで予め実験により求めて記憶されている基準となる燃料噴射期間ＢＰよりも長いとステップＳ６０３で判別されると、ステップＳ６０４へ進む。なお、便宜上、ステップＳ６０３で、基準となる燃料噴射期間ＢＰよりも長いと判別された燃料噴射期間を以下、燃料噴射期間ＬＰとする。

ステップＳ６０４では、噴射開始時期のみ、進角側へ変更される。すなわち、基準となる燃料噴射期間ＢＰの内、噴射終了時期や点火時期は固定された状態で、噴射開始時期のみが、進角側へ変更される。なお、この補正された変更分は、基準となる燃料噴射期間ＢＰと、燃料噴射期間ＬＰとの差分に相当する。

噴射開始時期が進角側へ変更されると、ステップＳ６０５で、噴射開始時期が、予め実験により求められて設定記憶されている固定値である進角ガード以内か否かが判別される。つまり、この進角ガードと上死点との間に噴射開始時期があるか否かが判別される。そして、進角ガード以内と判別されると、ステップＳ６０６でガス燃料が噴射されて、点火されることになる。なお、この進角ガードとは、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０から噴出された噴射燃料の噴流が、ピストン１０４に至るのが早すぎて、ガス燃料が点火までに拡散し過ぎない噴射進角限界値とされている。

その後、燃焼が成立したか否か、すなわち噴射燃料が適切に点火されて、燃焼が生じたか否かがステップＳ６０７で判別される。具体的には回転数センサ１４３により計測されるエンジン回転数の変化などから、回転変動が許容範囲で、燃焼が成立したか否かが判別される。そして、燃焼が成立したと判別されると、当該ルーチンは終了され、上記制御が繰り返し行われる。なお、燃焼が成立しなかったと判別されたときには、現条件で上記制御により燃焼制御を行っても成層燃焼モード運転により高効率が得られないので、例えばその出力低下を補うべく、ステップＳ６０８で均質燃焼モードに、燃焼モードを切り替える制御が行われる。

一方、上記ステップＳ６０５において、変更された噴射開始時期が進角ガード以内ではないと判別されると、ステップＳ６０９へ進み、噴射進角限界値である進角ガードと、変更された噴射開始時期との差分が導き求められる。そして、この差分の分だけ、補正された基準となる燃料噴射期間ＢＰの固定されている噴射終了時期は、遅角側へ補正変更される。すなわち、噴射開始時期は進角ガードに固定されて、噴射終了時期が遅角側へ変更される。なお、このとき、点火時期と噴射終了時期との時間的位置関係は一定に保たれる、すなわち点火時期から噴射終了時期までのインターバルは固定されたままにされる。

噴射終了時期が遅角側へ変更されると、ステップＳ６１１で、噴射終了時期と共に変更された点火時期が、予め実験により求められて設定記憶されている固定値である点火遅角限界値としての点火遅角ガード以内か否かが判別される。つまり、この点火遅角ガードの上死点側に点火時期が位置しないか否かが判別される。そして、補正された点火時期が点火遅角ガード以内であると判別されると、ステップＳ６１２で噴射開始時期が進角ガードに再設定されて、ステップＳ６１３でガス燃料が噴射されて点火されることになる。

その後、ステップＳ６１４では、この条件下でステップＳ６０７と同様に、燃焼が成立したか否かが判別される。そして、燃焼が成立したと判別されると、当該ルーチンは終了され、上記制御が繰り返し行われることとなる。

なお、上記ステップＳ６１１で点火時期が点火遅角ガード以内でないと判別されたり、上記ステップＳ６１４で燃焼が成立しなかったと判別されたりしたときには、それぞれステップＳ６１５やステップＳ６１６で均質燃焼モードへ切り替える制御が直ちに行われる。

次に、上記ステップＳ６０３で、導出された燃料噴射期間が、基準となる燃料噴射期間ＢＰよりも長くないと判別されて、当該ルーチンが終了された場合について、以下に図７に基づいて説明する。なお、図７の燃焼制御ルーチンも、図６の燃焼制御ルーチンと同様に、所定時間毎に実行されるルーチンであり、図７のステップＳ７０１、Ｓ７０２は、図６のステップＳ６０１、６０２に対応し、同時に行われる工程である。

ステップＳ７０２で燃料噴射期間が求められて、この燃料噴射期間が、マップＡ又はマップＢにおいて予め実験により求めて記憶されている基準となる燃料噴射期間ＢＰよりも短いとステップＳ７０３で判別されると、ステップＳ７０４へ進む。なお、便宜上、ステップＳ７０３で、基準となる燃料噴射期間ＢＰよりも短いと判別された燃料噴射期間を以下、燃料噴射期間ＳＰとする。

ステップＳ７０４では、基準となる燃料噴射期間ＢＰを燃料噴射期間ＳＰと同じ期間になるように補正すべく、基準となる燃料噴射期間ＢＰの内の噴射開始時期のみ、遅角側へ変更される。なお、この補正された変更分は、基準となる燃料噴射期間ＢＰと、燃料噴射期間ＳＰとの差分に相当する。

噴射開始時期が遅角側へ変更されると、ステップＳ７０５で、噴射開始時期が、予め実験により求められて設定記憶されている固定値である遅角ガード以内か否かが判別される。より詳しくは、上死点前に遅角ガードが設定されていて、この遅角ガードより上死点側に噴射開始時期がないか否かが判別される。そして、遅角ガード以内と判別されると、ステップＳ７０６でガス燃料が噴射されて、点火されることになる。なお、この遅角ガードとは、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０から噴出された噴射燃料の噴流が、ピストン１０４に至るのが遅すぎて、ガス燃料が点火プラグ１０９に届かない噴射遅角限界値とされている。

その後、ステップＳ７０７で、上記ステップＳ６０７と同様に、噴射燃料が適切に点火されて、燃焼が成立したか否かが判別される。そして、燃焼が成立したと判別されると、当該ルーチンは終了され、上記制御が繰り返し行われる。なお、燃焼が成立しなかったと判別されると、ステップＳ７０８で均質燃焼モードに、燃焼モードを切り替える制御が行われる。

一方、上記ステップＳ７０５において、変更された噴射開始時期が遅角ガード以内ではないと判別されると、ステップＳ７０９へ進み、噴射遅角限界値である遅角ガードと、変更された噴射開始時期との差分が導き求められる。そして、この差分の分だけ、補正された基準となる燃料噴射期間ＢＰの固定されている噴射終了時期は、進角側へ補正変更される。すなわち、噴射開始時期は遅角ガードに固定されて、噴射終了時期が進角側へ変更される。なお、このとき、点火時期と噴射終了時期との時間的位置関係は一定に保たれる。

噴射終了時期が進角側へ変更されると、ステップＳ７１１で、噴射終了時期と共に変更された点火時期が、予め実験により求められて設定記憶されている固定値である点火進角限界値としての点火進角ガード以内か否かが判別される。つまり、この点火進角ガードと上死点との間に点火時期が位置するのか否かが判別される。そして、補正された点火時期が点火進角ガード以内と判別されると、ステップＳ７１２で噴射開始時期が遅角ガードに再設定されて、ステップＳ７１３でガス燃料が噴射されて点火されることになる。

その後、ステップＳ７１４で、ステップＳ７０７と同様に、噴射燃料が適切に点火されて、燃焼が成立したか否かが判別される。そして燃焼が成立したと判別されると、当該ルーチンは終了され、上記制御が繰り返し行われる。なお、このステップＳ７１４での判別に当たっては、燃焼終了時期が進角側へ変更されているので、ノッキングが生じやすくなっているとも考えられるため、特にノッキングが生じた場合も燃焼が不成立であると考えて、燃焼が成立したか否かの判別がなされることとしている。但し、ノッキングが生じたか否かの判別は、ノックセンサ１１９ｂにより検出されたデータに基づいて行われる。

なお、上記ステップＳ７１１で点火時期が点火進角ガード以内でないと判別されたり、上記ステップＳ７１４で燃焼が成立しなかったと判別されたりしたときには、それぞれステップＳ７１５やステップＳ７１６で均質燃焼モードへ切り替える制御が直ちに行われる。

以上、本発明は、ガス燃料としてＣＮＧを用いるエンジンにつき説明したが、このガス
燃料としては、例示したＣＮＧに限らず、水素ガス、プロパンガス、ジメチルエーテルガ
ス等を用いることができ、要するに、ガス状態で筒内に噴射供給する形式のエンジンには
全て適用可能である。

本発明が適用される少なくとも１個の直噴インジェクタを備えるガス燃料エンジンを示す概略構成図である。図１の要部拡大断面図である。燃料噴射期間と点火時期との関係を、上死点前後に渡って示した模式図であり、（α）は燃料噴射期間と点火時期とが重なる燃料制御形態を表し、（β）は燃料噴射期間と点火時期とが重ならない燃料制御形態を表している。噴射圧力と筒内波形圧力との関係の一例を、上死点付近に関して示したグラフである。本発明の実施形態における制御手順の一例を示すフローチャートである。本発明の実施形態における制御手順の一例を示すフローチャートである。本発明の実施形態における制御手順の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ガス燃料直噴エンジン
１０９点火プラグ
１２０ＣＮＧ直噴インジェクタ
３００電子制御ユニット

Claims

燃焼室に臨んで設けられた直噴インジェクタおよび点火プラグを備え、成層燃焼モードを少なくとも一部の運転領域にて行うガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法において、
前記成層燃焼モードにおける筒内圧が前記直噴インジェクタの噴射圧よりも低い運転領域においては、前記直噴インジェクタからの燃料噴射の終了前に前記点火プラグによる点火が実行されるように制御することを特徴とするガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
前記点火の実行により発生した点火火炎が前記直噴インジェクタに届く前に燃料噴射が終了するように点火時期を制御することを特徴とする請求項１に記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
前記成層燃焼モードにおける筒内圧が前記直噴インジェクタの噴射圧よりも高い運転領域においては、前記直噴インジェクタからの燃料噴射の終了後に前記点火プラグによる点火が実行されるように切り替え制御することを特徴とする請求項１または２に記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
前記成層燃焼モードにおける筒内圧が前記直噴インジェクタの噴射圧よりも低い運転領域において、前記直噴インジェクタからの燃料噴射期間が所定値よりも長いときは、前記点火時期から前記燃料噴射の終了までのインターバルを固定したまま燃料噴射の開始時期を進角側に変更し、且つ、前記直噴インジェクタからの燃料噴射期間が所定値よりも短いときは、前記インターバルを固定したまま燃料噴射の開始時期を遅角側に変更することを特徴とする請求項２に記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
前記進角側に変更される燃料噴射の開始時期が噴射進角限界値を超えるときは、該噴射進角限界値との差を算出し、燃料噴射の開始時期を該噴射進角限界値に設定すると共に、前記インターバルを固定したまま前記点火時期および燃料噴射の終了時期を前記差分遅角側に補正し、且つ、前記遅角側に変更される燃料噴射の開始時期が噴射遅角限界値を超えるときは、該噴射遅角限界値との差を算出し、燃料噴射の開始時期を該噴射遅角限界値に設定すると共に、前記インターバルを固定したまま前記点火時期および燃料噴射の終了時期を前記差分進角側に補正して、設定することを特徴とする請求項４に記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
前記遅角側または進角側に補正された点火時期が、点火遅角限界値または点火進角限界値のいずれかを超えるときには、直ちに均質燃焼モード運転に切り替えることを特徴とする請求項５に記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。