JP2006283571A - 車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可及的に高い幾何学的圧縮比を採用しつつノッキングを抑制し、しかも燃費の向上をも図ること。
【解決手段】 エンジン２０の幾何学的圧縮比を１４以上に設定する。燃焼室２７の混合気を点火する複数の点火プラグ３４を設ける。アイドル回転数よりも所定回転数高いエンジン低回転領域における高負荷運転領域では、圧縮上死点後に多点点火するように点火プラグ３４を制御する。また、部分負荷運転領域では、圧縮自己着火を行う。エンジン２０は、クランクシャフト２１の回転方向が右回りになる側から見て、気筒２４のシリンダボア中心Ｚがクランクシャフト２１の回転中心Ｏから右側にオフセットしている。
【選択図】 図２

Description

本発明は車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置に関する。

エンジンの出力を向上するためには、圧縮比を高めることが有効である。

しかし、単にエンジンの幾何学的圧縮比を高めただけでは、ノッキングが生じやすくなるという問題が発生する。

このような問題を解決するため、例えば特許文献１に記載されている技術では、燃料を分割噴射し、前段の燃料の点火後に後段の燃料噴射を実行する技術が開示されている。
特開平９−１２６０２８号公報

特許文献１の技術では、分割噴射された燃料が燃焼されることにより、空燃比がリーン状態となるため、比較的ノッキングを抑制することが可能ではある。

しかしながら、特許文献１の技術では、燃料噴射タイミングを分割し、前段の燃料の燃焼後に後段の燃料を点火する方法を講じているに過ぎないため、後段の燃料点火が遅れるとトルクが著しく低減する一方、後段の燃料点火を早めようとすると、ノッキング対策が困難になる。このようにノッキングとトルクの両立が困難になるので、ノッキングを回避可能な圧縮比にも限界があり、高負荷時の低回転運転領域での出力を向上することが困難になっていた。

本発明は前記不具合に鑑みてなされたものであり、可及的に高い幾何学的圧縮比を採用しつつノッキングを抑制し、しかも燃費の向上をも図ることのできる車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置を提供することを課題としている。

前記課題を解決するために、本発明は、トルクを出力するクランクシャフトと、このクランクシャフトに連結されるピストンと、このピストンを往復移動可能に嵌装することにより、当該ピストンと協働して混合気の燃焼室を区画する気筒とを備えた４サイクル火花点火式車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置において、前記エンジンの幾何学的圧縮比を１４以上に設定し、前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、一気筒当たり複数の点火プラグと、運転状態検出手段の検出に基づいて点火プラグの作動を制御する制御手段とを設け、アイドル回転数よりも所定回転数高いエンジン低回転領域における高負荷運転領域では、圧縮上死点以降に多点点火するように制御手段が点火プラグを制御することを特徴とする車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置である。この態様では、エンジンの幾何学的圧縮比を１４以上に設定することにより、高い出力性能を得ることが可能になる。しかも、アイドル回転数よりも所定回転数高いエンジン低回転領域における高負荷運転領域での点火タイミングが圧縮上死点以降に設定されることにより、ノッキング限界がシフトする結果、ノッキングを防止することが可能になる。ところで、点火タイミングが圧縮上死点以降に設定された場合、通常は、ピストンが下降する膨張行程での燃焼となるため、燃焼速度が遅くなり過ぎて燃料のエネルギーを有効に膨張仕事に変換することができなくなり、出力性能の大幅低下を招く。これに対し、本発明では、多点点火を用いることで燃焼速度を高めることが可能になり、高負荷では通常圧縮比の従来エンジン並みの出力性能を確保しつつ、部分負荷では高圧縮比による燃費改善が可能になる。

好ましい態様において、吸気を加熱する吸気加熱手段を設け、部分負荷運転領域では、筒内吸気を加熱して圧縮自己着火運転を行うように前記制御手段が前記吸気加熱手段を制御する。この態様では、比較的ノッキングが生じにくい運転領域では、圧縮自己着火を実行し、さらなる燃費の向上を図ることが可能になる。

好ましい態様において、前記部分負荷運転領域の高負荷側では、圧縮自己着火後に多点点火するように制御手段が点火プラグを制御する。圧縮自己着火を低負荷で実行する場合、高負荷側で通常の火花点火に円滑に切換えるのが課題となる。負荷を上げるには、吸気加熱や内部ＥＧＲによる温度上昇を抑制しつつ、新気を増やす制御が必要になるが、これは同時に圧縮自己着火も起こしにくくすることにもなり、失火の混じった不安定な領域を招くことになる。そこで、この態様では、本来なら圧縮自己着火を起こすタイミングよりも遅いタイミング（上死点以降）で多点点火を実行し、圧縮自己着火が不成立に終わったサイクルでも点火で燃焼を成立させ、圧縮自己着火運転を火花点火運転に切換える比較的高負荷側の運転領域近辺での失火とエミッション悪化を防止するようにしている。

別の態様において、既燃ガスの一部を吸気通路に還流する外部ＥＧＲ装置を備え、部分負荷運転領域では、外部ＥＧＲを導入するとともにＥＧＲ導入領域の比較的高負荷運転領域では圧縮上死点後に多点点火するように制御手段が外部ＥＧＲ装置および点火プラグを制御する。換言すれば、低負荷側では、圧縮上死点前で多点点火を実行してもよい。この態様では、幾何学的圧縮比が高いため、部分負荷運転領域からノッキングが発生しやすくなるが、外部ＥＧＲの導入により比熱が増し、混合気の温度上昇が抑制されるためノッキングが抑制される。さらに多点点火の急速燃焼効果が加わってノッキング抑制効果が増し、部分負荷時にノッキング抑制領域を拡大でき、しかも燃費の向上とも両立することが可能になる。

好ましい態様において、前記点火プラグは、気筒の中心部にレイアウトされるものを含む少なくとも３本以上に設定されている。この態様では、多点点火を行う場合には、一の点火プラグが気筒の中央部分から混合気に点火し、残余の点火プラグが他の部位から混合気に点火するので、燃焼の伝播がより迅速になるとともに、多点点火を実行しない場合においても、中央部分に配置された点火プラグを採用することにより、比較的速やかに混合気を燃焼させることが可能になる。

好ましい態様において、前記エンジンは、当該クランクシャフトの回転方向が右回りになる側から見て気筒のシリンダボア中心がクランクシャフトの回転中心から右側にオフセットしている。この態様では、気筒のシリンダボア中心がクランクシャフトの回転中心からオフセットすることにより、ピストンの昇降速度が上死点に対して非対称になり、膨張行程初期でのピストンの下降速度が相対的に遅くなる。このため、ピストンの下降速度に比べて燃焼速度が相対的に速くなるので、良好な燃焼環境を維持することができ、ピストンに作用するエネルギーが高くなって燃費の向上を図ることが可能になる。

好ましい態様において、筒内にスワールを生成するスワール生成手段を設けている。この態様では、スワールの生成によって、乱流エネルギーを上死点まで有効に維持することができ、多点点火に加え膨張行程時の燃焼速度向上に寄与することができる。このため、上死点後に多点点火を実行する場合においても、効率悪化を抑制することができる。また、部分負荷時における圧縮自己着火運転領域では、燃料と空気のミキシングに有効となり、火花点火運転領域では、急速燃焼によるノッキングの抑制に有効となる。

好ましい態様において、吸気弁の閉弁時期を下死点以前の所定時期であって有効圧縮比が膨張比とほぼ等しくなる第１のタイミングと有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなる第２のタイミングとに変更可能な可変バルブタイミング機構を設け、エンジン始動時の少なくとも温間時には吸気弁の閉弁時期が第２のタイミングとなるように前記制御手段が前記可変バルブタイミング機構を制御する。この態様では、エンジンの高出力が要請される運転領域では、有効圧縮比が膨張比とほぼ等しくなるように吸気弁を駆動して高圧縮比による出力の向上を図ることができる一方、始動トルクが低くて済む温間始動時には、有効圧縮比が低くなるように吸気弁を駆動して、圧縮抵抗を低減することにより始動性の向上を図ることが可能になる。

以上説明したように、本発明によれば、可及的に高い幾何学的圧縮比を採用しつつノッキングを抑制し、しかも燃費の向上をも図ることができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る制御装置１０の概略構成を示す構成図であり、図２は図１に係る４サイクルガソリンエンジン２０の一つの気筒の構造を示す断面略図である。

図１および図２を参照して、図示の制御装置１０は、４サイクルガソリンエンジン２０と、このエンジン２０を制御する制御手段としてのコントロールユニット１００とを備えている。

エンジン２０は、クランクシャフト２１を回転自在に支持するシリンダブロック２２と、シリンダブロック２２の上部に配置されたシリンダヘッド２３とを一体的に有しており、これらシリンダブロック２２およびシリンダヘッド２３には、複数の気筒２４が設けられている。

各気筒２４には、コンロッド２５を介してクランクシャフト２１に連結されたピストン２６と、ピストン２６が気筒２４内に形成する燃焼室２７とが設けられている。本実施形態において、各気筒２４の幾何学的圧縮比は１４に設定されている。

図２を参照して、本実施形態に係るエンジン２０は、当該クランクシャフト２１の回転方向が右回りになる側（すなわち図２の状態）から見て気筒２４のシリンダボア中心Ｚがクランクシャフト２１の回転中心Ｏから右側にオフセットしている。このオフセット量Ｓは、気筒２４のボア径が７０ｍｍの場合、例えば１ｍｍ〜２ｍｍに設定されている。

図３は本実施形態におけるピストンのモデル図である。

同図を参照して、コンロッド２５とピストン２６とを連結する連結ピン２５ａの回転中心とコンロッド２５とクランクシャフト２１とを連結する連結ピン２５ｂの回転中心の距離をＡ_１、連結ピン２５ｂの回転中心とクランクシャフト２１の回転中心Ｏの距離をＡ_２、オフセット量をＳ、連結ピン２５ｂを通る鉛直線ＬＮ１とコンロッド２５のなす角度をα、クランクシャフト２１の角速度をωとする。

図３に基づくと、連結ピン２５ａの回転中心の座標（Ｘｐ，Ｙｐ）、連結ピン２５ｂの回転中心の座標（Ｘｃ，Ｙｃ）は、クランクシャフト２１の中心Ｏを通る水平線とシリンダボア中心Ｚとの交点座標を（０，０）とすると、それぞれ
（Ｘｐ，Ｙｐ）＝（０， Ａ_２ｃｏｓωｔ＋Ａ_１ｃｏｓα） ・・・（式１）
（Ｘｃ，Ｙｃ）＝（Ａ_２ｓｉｎωｔ−Ｓ， Ａ_２ｃｏｓωｔ） ・・・（式２）
となる。また、ピストン２６の拘束条件は
Ａ_２ｓｉｎωｔ−Ｓ＝Ａ_１ｓｉｎα ・・・（式３）
となる。ここで（式３）の両辺を微分すると

・・・（式４）
が得られる。

次に（式１）のＹｐ成分をｔで微分し、（式４）を代入して、ピストン２６の速度ｖを求めると

・・・（式５）
が得られる。また、（式３）より

・・・（式６）
であるから、（式６）を（式５）に代入すると、

・・・（式７）
が得られる。

図４は、クランク角度に対するピストンの速度を表わすグラフである。また、図５はクランク角度とピストン移動量の関係を示すモデル図である。

図４および図５を参照して、（式５）から明らかなように、オフセット量Ｓ＝０の場合、ｔａｎα＝０であるから、ピストン２６の速度ｖは、正弦波と等しくなる。

これに対して、オフセット量Ｓ＞０とした場合、（式５）（式７）の第２項の値によって、ピストン２６の波形は非対称となり、ピストン２６が最も高速で移動する点Ｐ_１、Ｐ_２（ピストン２６の上死点を通る直線が連結ピン２５ｂの軌跡２５Ｌ上になす接点）は、左右非対称となる。この結果、仮に、ピストン２６が上死点にある時の点Ｐ_０を中心に前後同量のクランク角度ωｔ（＝３０°）の移動量Ｙ_１、Ｙ_２を考えると、図５から明らかなように、上死点近傍から上死点に至るまでの移動量Ｙ_１は比較的大きくなり、ピストン２６は、速い速度で移動するのに対し、上死点を越えた後の移動量Ｙ_２は比較的小さくなり、ピストン２６は、比較的遅い速度で移動することになる。

図６は気筒２４を拡大して示す平面略図である。また図７は本実施形態に係る燃焼室の気流を示す説明図であり、（Ａ）は圧縮行程初期、（Ｂ）は膨張行程初期をそれぞれ示している。

図６および図７を参照して、各気筒２４には、シリンダヘッド２３の下面には、燃焼室２７の天井部が構成され、この天井部は中央部分からシリンダヘッド２３の下端まで延びる２つの傾斜面２７ａ、２７ｂを有するいわゆるペントルーフ型となっている。

前記燃焼室２７の天井部を構成する一方の傾斜面（図７（Ａ）（Ｂ）において右側の傾斜面）２７ａには各々独立した２つの吸気ポート２８が開口し、また、他方の傾斜面（図７（Ａ）（Ｂ）において左側の傾斜面）２７ｂには２つの排気ポート２９が開口しており、各ポート２８、２９の開口端に吸気弁３０および排気弁３１が設けられている。前記吸気ポート２８は、それぞれ燃焼室２７から図７の右斜め上方に直線的に延びるストレートポートであり、図７に示す断面で吸気上流側ほどシリンダボア中心Ｚから離れるような形状とされている。

燃焼室２７の側部には、下記コントロールユニットからの燃料噴射パルスを受けて、このパルス幅に対応する燃料を燃焼室２７に噴射する燃料噴射弁３２が設けられている。

前記ピストン２６の冠面には、吸気側の周縁部の所定範囲および排気側の周縁部の所定範囲に、シリンダヘッド２３の傾斜面に沿うように傾斜するスキッシュエリア構成面２６ａ、２６ｂが設けられている。さらにこのスキッシュエリア構成面２６ａ、２６ｂの内側には、凹陥部３３が設けられている。

凹陥部３３は、吸気弁３０および排気弁３１の投影面を含む所定範囲に設けられている。この凹陥部３３の底面は、燃焼室天井部の両傾斜面２７ａ、２７ｂとほぼ平行な一対の傾斜状底面３３ａ，３３ｂを有して、凹陥部３３の略中央部に前記両傾斜状底面３３ａ，３３ｂの間の稜線部分３３ｃが位置する山形状に形成されている。前記稜線部分３３ｃは、シリンダボア中心Ｚよりも多少排気側にオフセットした位置で、燃焼室天井部の傾斜面２７ａ、２７ｂ間の稜線と同方向に直線状に延びている。

前記凹陥部３３の吸気ポート側周縁（吸気側スキッシュエリア構成面２６ａとの境界）３３ｄおよび排気ポート側周縁（排気側スキッシュエリア構成面２６ｂとの境界）３３ｅは、ともに、稜線部分３３ｃと平行な直線状に形成されている。そして、この吸気ポート側周縁３３ｄおよび排気ポート側周縁３３ｅにおいてそれぞれスキッシュエリア構成面２６ａ、２６ｂから凹陥部３３の底面に至る縦壁３３ｆは、吸気弁３０、排気弁３１のリフト方向に傾斜して形成されている。

このため本実施形態では、部分負荷運転領域Ｄ（図８参照）において以下のような作用を奏する。

すなわち、吸気行程でのピストン２６の下降によって燃焼室２７に吸い込まれる吸気は、主に吸気ポート２８開口の点火プラグ３４に近い側から燃焼室２７へ流れ込み、排気側の燃焼室周壁面に向かって流れ、続いて排気側周壁面に沿って下方へ向かった後、ピストン冠面に沿って吸気側へ流れ、そこから上方へ向う。こうして、図７で反時計回り方向に旋回する正タンブル流Ｔ１が生成されるようになっている。

次に圧縮行程に移行すると、ピストンの上昇に伴い、正タンブル流Ｔ１が上下方向に押し縮められつつ燃焼室２７内を旋回し、その下部側の流れは凹陥部３３に入り込み、凹陥部３３の底面に沿って移動する。この場合に、凹陥部３３の底面が略中央部に稜線部分３３ｃを有する山形状に形成されているため、排気側の傾斜状底面３３ｂに沿って流れた気流が稜線部分３３ｃで底面から剥離される。そして、図７（Ａ）に示すように、稜線部分３３ｃで剥離されることにより、正タンブル流Ｔ１のうちの一部が分流して正タンブル流Ｔ１とは逆方向に旋回する逆タンブル流Ｔ２を生じる。

圧縮行程初期乃至中期の段階では正タンブル流Ｔ１の方が分流した逆タンブル流Ｔ２よりも大きく、かつ強いが、圧縮行程が進行してピストン２６が燃焼室天上部分に近づくにつれ、正タンブル流Ｔ１は中心が次第に排気側に移動するとともに小さくなる。そして、ピストン２６が上死点付近にある圧縮行程終期ないし膨張行程初期には、図７（ｂ）に示すように、タンブル流Ｔ１、Ｔ２が同程度の大きさおよび強さで、燃焼室２７内の排気側と吸気側とに分かれて互いに逆方向に旋回する状態となる。

また、ピストン２６の冠面における吸気ポート側周縁部の所定範囲および排気ポート側周縁部の所定範囲にスキッシュエリア構成面２６ａ、２６ｂが設けられていることにより、ピストン２６が上死点に近づく圧縮行程終期には、燃焼室天井部の傾斜面２７ａ、２７ｂとスキッシュエリア構成面２６ａ、２６ｂとの間のスキッシュエリアから燃焼室２７中央部側へ向う方向（図７（ｂ）中の白抜矢印Ｒａ，Ｒｂとは反対の方向）に正スキッシュ流が生じ、ピストン２６が上死点に達した後に下降し始める膨張行程初期には、図７（ｂ）中の白抜矢印Ｒａ，Ｒｂで示すような燃焼室２７中央部側から前記スキッシュエリアに向う逆スキッシュ流が生じる。

この場合に、２つに分離したタンブル流Ｔ１、Ｔ２は、正スキッシュ流とは逆方向、逆スキッシュ流Ｒａ，Ｒｂとは同方向の流れとなるため、圧縮行程終期の正スキッシュ流を弱めて逆スキッシュ流の生成を早めるとともに、逆スキッシュ流Ｒａ，Ｒｂを強化する作用を発揮する。

このように逆スキッシュ流Ｒａ，Ｒｂが強化されることにより、部分負荷運転領域Ｄ（図８参照）においては、スキッシュエリア内の燃焼速度が充分に高められ、火炎の主燃焼速度が高くなって急速燃焼が実現される。しかも、正タンブル流Ｔ１が適度に弱められることにより、初期燃焼速度はあまり高くならず、エンドガスゾーンにおける混合気の自己着火が誘発されることもない。つまり、初期燃焼期間はあまり短くならずに、主燃焼期間が大幅に短縮されることにより、ノッキングの発生が抑制されるとともに急速燃焼により熱効率が向上する。

さらに、前記一対の傾斜状底面３３ａ，３３ｂが燃焼室天井部の傾斜面２７ａ、２７ｂと平行であるため、その間の空間では火炎伝播が均一に行われ、デトネーション防止にも効果的である。

次に図２および図６を参照して、各気筒２４には、シリンダヘッド２３に固定され、燃焼室２７内にスパークを発する３個の点火プラグ３４が配設されている。各点火プラグ３４は、ピストン２６の稜線部分３３ｃと平行なシリンダ直径沿いに並んでおり、中央のものがシリンダボア中心Ｚ上に配置され、両側のものが燃焼室２７の側縁に配置されている。各点火プラグ３４には、電子制御による点火タイミングのコントロールが可能な点火回路３５が接続されており、この点火回路３５がコントロールユニット１００に制御されることにより、点火プラグ３４は、選択的に点火制御されるようになっている。

次に、図２を参照して、各気筒２４の吸気弁３０および排気弁３１には、それぞれ公知のタペットユニット３６が設けられている。タペットユニット３６は、シリンダヘッド２３に設けられた動弁機構のカム軸３７、３８のカム３７ａ、３８ａによって、周期的に駆動されるものである。また、吸気弁３０に対する動弁機構には、吸気弁３０の開閉タイミングを変更可能とする可変バルブタイミング機構４０が設けられている。この可変バルブタイミング機構４０は、吸気弁開時期を吸気上死点付近とする第１のタイミングとこれよりも吸気弁開時期を進角させた第２のタイミングとにわたり、運転状態に応じてバルブタイミングを変更するものである。

次に、図１および図２を参照して、エンジン２０の吸気ポート２８には、インテークマニホールド４２の分岐吸気管４３が接続している。分岐吸気管４３は、気筒２４毎に設けられており、それぞれがインテークマニホールド４２に等長の吸気経路を形成した状態で接続されている。図示の実施形態において、各気筒２４には、２つ一組の吸気ポート２８が形成されており、前記分岐吸気管４３の下流端は、各気筒２４の吸気ポート２８に対応して二股に形成されている。分岐吸気管４３の上流側合流部分には、開閉弁４４が設けられている。開閉弁４４は、アクチュエータ４５によって、個別に分岐吸気管４３の集合部分を開閉できるように構成されている。他方、二股に分岐した分岐吸気管４３の一方の分岐部分には、図２に示すように周知のスワール生成用開閉弁４３ａが設けられている。このスワール生成用開閉弁４３ａはアクチュエータ４３ｂにより駆動されて開閉作動するもので、このスワール生成用開閉弁４３ａにより当該分岐吸気管４３の一方の分岐部分が閉じられたときは他方の分岐部分を通る吸気によって燃焼室２７内にスワールが生成され、スワール生成用開閉弁４３ａが開かれるにつれてスワールが弱められるようになっている。

インテークマニホールド４２の上流側には、新気をインテークマニホールド４２内部に導入するための吸気通路４６が接続されている。この吸気通路４６には、スロットルバルブ４７が設けられている。このスロットルバルブ４７の上流側には、三方電磁弁４８が設けられており、この三方電磁弁４８に接続されたバイパス通路４９には、吸気加熱手段としてのヒータ５０が設けられている。従って、三方電磁弁４８を切換えることにより、外気の新気をそのままインテークマニホールド４２に導入したり、ヒータ５０で加温された空気をインテークマニホールド４２に導入したりすることができるようになっている。

次に、図１に示すように、排気ポート２９には、各気筒２４に２つ一組で形成された二股状の分岐排気管５１が接続されている。各分岐排気管５１の下流端は、エキゾーストマニホールド５２に接続されている。このエキゾーストマニホールド５２には、既燃ガスを排出する排気通路５３が接続されている。

次に、図１、図２を参照して、前記インテークマニホールド４２、エキゾーストマニホールド５２の間には、排気された既燃ガスをインテークマニホールド４２に還流させる外部ＥＧＲシステム６０が設けられている。

外部ＥＧＲシステム６０は、インテークマニホールド４２とエキゾーストマニホールド５２との間に形成された還流通路６１に接続され、ＥＧＲクーラ６２と、ＥＧＲ弁６３と、ＥＧＲ弁６３を駆動するアクチュエータ６４とを備えた公知のバルブシステムである。

図１を参照して、エンジン２０の運転状態を検出するために、吸気通路４６には、エアフローセンサＳＷ１が設けられ、開閉弁４４の下流には筒内温度を予測するための吸気温度センサＳＷ２（図２参照）が設けられている。また、シリンダブロック２２には、クランクシャフト２１の回転数を検出するクランク角センサＳＷ３および冷却水の温度を検出するエンジン水温センサＳＷ４が設けられている（図２参照）。さらに、排気通路５３には、空燃比を制御するための酸素濃度センサＳＷ５が設けられている。

エンジン２０のコントロールユニット１００には、エアフローセンサＳＷ１、吸気温度センサＳＷ２、クランク角センサＳＷ３、エンジン水温センサＳＷ４、酸素濃度センサＳＷ５、並びにエンジン負荷を検出するためのアクセル開度センサＳＷ６が入力要素として接続されている。これら各センサＳＷ１〜ＳＷ６は、何れも本実施形態における運転状態検出センサの具体例である。他方、コントロールユニット１００には、スロットルバルブ４７のアクチュエータ、可変バルブタイミング機構４０、スワール生成用開閉弁４３ａのアクチュエータ４３ｂ、吸気通路４６の三方電磁弁４８、ヒータ５０、外部ＥＧＲシステム６０のアクチュエータ６４が制御要素として接続されている。

図１を参照して、コントロールユニット１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、インターフェース１０３並びにこれらのユニット１０１〜１０３を接続するバス１０４を有するものであり、メモリ１０２に記憶されるプログラム並びにデータによって、運転状態を判定する運転状態判定手段を機能的に構成している。

図８は、図１の実施形態に係る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特性図である。図９は、特性毎の吸気開弁タイミングと点火タイミングとを示すタイミングチャートである。

図８を参照して、コントロールユニット１００は、例えば同図に示すような特性図に基づく制御用マップを有している。

図８に示す特性図において、所定の回転数（図示の例では１２００ｒｐｍ）Ｎ１以上の低回転領域（エンジン回転数Ｎ２以下の領域）内における高負荷運転領域Ｄ₀では、図９（Ａ）のＳＰで示すように、圧縮上死点後に多点点火するように設定されている。これにより、点火タイミングが圧縮上死点以降になることにより、詳しくは後述するようにノッキング限界を高速側に拡張するとともに、多点点火を用いることによって燃焼速度を促進し、燃料のエネルギーを有効に膨張仕事に変換して、出力性能を確保することができる。この結果、圧縮自己着火運転が困難な比較的低回転運転領域での高負荷側で、高い幾何学的圧縮比を維持しつつ、点火タイミングを遅らせてノッキング防止を図る一方、多点点火によって、燃費を改善することが可能になる。

次に、図８に示す特性図において、部分負荷運転領域Ｄ（斜線で示す領域Ｄ_１とこれより低負荷側の白抜きで示す領域Ｄ_２の部分の双方）では、図９（Ｂ）で示すように、ヒータ５０が作動され、圧縮自己着火運転が実行される。

次に、図８に示す特性図において、前記部分負荷運転領域Ｄのうち、高負荷側の領域Ｄ_１では、図９（Ａ）と同様なタイミングで着火アシストを行い、圧縮自己着火後の着火アシストを行うように設定されている。また、この高負荷側の運転領域Ｄ₁では、スワール生成用開閉弁４３ａがコントロールユニット１００によって制御される。このため、この結果、吸気時にスワールが生じ、上死点まで乱流エネルギーが維持され、吸気ポート２８から導入された新気と排気弁３１から導入された既燃ガスとの混合が促進される。このため、着火タイミングを膨張行程前半に遅らせても、混合気を速やかに燃焼させ、効率悪化を抑制することが可能になる。また、特に高負荷側の運転領域Ｄ₁においてスワールが生成されることにより、燃料との混合も促進されるので、筒内温度の低減にも寄与することができ、ノッキングを一層回避することができるとともに、燃費が改善し、リーン燃焼限界の向上にも寄与することになる。

次に、図９（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、上述した各運転領域では、図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、吸気弁３０は、概ね吸気行程の上死点で開始され、下死点で終了する第１のタイミングで開弁するのに対し、エンジン２０が温間時に再始動した場合には可変バルブタイミング機構４０によって相当遅角し、図９（Ｃ）に示すように有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなる第２のタイミングで開くようになっている。この結果、圧縮行程に移行したピストン２６によって、内部の空気が吸気ポート２８側に吹き戻されるいわゆるミラーサイクル機能を奏することになる。

以上説明したように本実施形態では、エンジン２０の幾何学的圧縮比を１４以上に設定することにより、高い出力性能を得ることが可能になる。

図１０はエンジン負荷とエンジン回転数の関係を示す特性図である。

同図に示すように、幾何学的圧縮比εが比較的大きいエンジンでは、曲線ε１で示すように、トルクが大きくなる反面、幾何学的圧縮比εが比較的小さいエンジン（曲線ε２）よりもノッキング限界（ＮＫ１）に至る領域が高回転側に拡がることになる。

これに対して本実施形態では、アイドル回転数よりも所定回転数Ｎ１高いエンジン低回転領域における高負荷運転領域Ｄ₀での点火タイミングが図９（Ａ）で示すように圧縮上死点以降に設定しているので、図１０の仮想線ＮＫ１から実線ＮＫ２で示すように、ノッキング限界が低速側にシフトする。この結果、低回転運転領域においても、ノッキングを確実に防止することが可能になる。ところで、点火タイミングが圧縮上死点以降に設定された場合、通常は、ピストン２６が下降する膨張行程での燃焼となるため、燃焼速度が遅くなり過ぎて燃料のエネルギーを有効に膨張仕事に変換することができなくなり、出力性能の大幅低下を招く。これに対し、本実施形態では、図９（Ａ）で示すように、点火時には多点点火を行うことにより、燃焼速度が高くなる。従って、ノッキングを回避しつつ、高圧縮比エンジン２０による高膨張効果を奏することができ、燃費を改善することが可能になる。

また、本実施形態では、吸気を加熱する吸気加熱手段としてのヒータ５０を設け、図８に示す部分負荷運転領域Ｄでは、筒内吸気を加熱して圧縮自己着火運転を行うようにコントロールユニット１００がヒータ５０を制御する。このため本実施形態では、比較的ノッキングが生じにくい運転領域では、圧縮自己着火を実行し、さらなる燃費の向上を図ることが可能になる。

また、本実施形態では、部分負荷運転領域Ｄの高負荷側の運転領域Ｄ₁では、圧縮自己着火後に多点点火するようにコントロールユニット１００が点火プラグ３４を制御する。このため本実施形態では、本来なら圧縮自己着火を起こすタイミングよりも遅いタイミング（上死点以降）で多点点火を実行し、圧縮自己着火が不成立に終わったサイクルでも点火で燃焼を成立させ、圧縮自己着火運転を火花点火運転に切換える比較的高負荷側の運転領域近辺での失火とエミッション悪化を防止することが可能になる。

また、本実施形態では、点火プラグ３４は、気筒２４の中心部にレイアウトされるものを含む少なくとも３本以上に設定されている。このため本実施形態では、多点点火を行う場合には、一の点火プラグ３４が気筒２４の中央部分から混合気に点火し、残余の点火プラグ３４が他の部位から混合気に点火するので、燃焼の伝播がより迅速になるとともに、多点点火を実行しない場合においても、中央部分に配置された点火プラグ３４を採用することにより、比較的速やかに混合気を燃焼させることが可能になる。

また、本実施形態では、エンジン２０は、当該クランクシャフト２１の回転方向が右回りになる側から見て気筒２４のシリンダボア中心Ｚがクランクシャフト２１の回転中心Ｏから右側にオフセットしている。このため本実施形態では、ピストン２６の昇降速度が上死点に対して非対称になり、膨張行程初期でのピストン２６の下降速度が相対的に遅くなる。このため、ピストン２６の下降速度に比べて燃焼速度が相対的に速くなるので、良好な燃焼環境を維持することができ、ピストン２６に作用するエネルギーが高くなって燃費の向上を図ることが可能になる。

また、本実施形態では、筒内にスワールを生成するスワール生成手段としてのスワール生成用開閉弁４３ａを設けている。このため本実施形態では、スワールの生成によって、乱流エネルギーを上死点まで有効に維持することができ、多点点火に加え膨張行程時の燃焼速度向上に寄与することができる。このため、上死点後に多点点火を実行する場合においても、効率悪化を抑制することができる。また、部分負荷時における圧縮自己着火運転領域では、燃料と空気のミキシングに有効となり、火花点火運転領域では、急速燃焼によるノッキングの抑制に有効となる。

また、本実施形態では、吸気弁３０の閉弁時期を下死点以前の所定時期であって有効圧縮比が膨張比とほぼ等しくなる第１のタイミングと有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなる第２のタイミングとに変更可能な可変バルブタイミング機構４０を設け、エンジン始動時の少なくとも温間時には吸気弁の閉弁時期が第２のタイミングとなるようにコントロールユニット１００が可変バルブタイミング機構４０を制御する。このため本実施形態では、エンジン２０の高出力が要請される運転領域では、有効圧縮比が膨張比とほぼ等しくなるように吸気弁３０を駆動して高圧縮比による出力の向上を図ることができる一方、始動トルクが低くて済む温間始動時には、有効圧縮比が低くなるように吸気弁３０を駆動して、圧縮抵抗を低減することにより始動性の向上を図ることが可能になる。

このように本実施形態によれば、可及的に高い幾何学的圧縮比を採用しつつノッキングを抑制し、しかも燃費の向上をも図ることができるという顕著な効果を奏する。

上述した実施形態は、本発明の好ましい具体例に過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。

例えば、図１１に示す特性に基づいて、図１〜図７で示したエンジン２０を制御してもよい。

図１１は本発明の別の実施形態に係る特性図である。

同図に示すように、部分負荷運転領域Ｄ３では、外部ＥＧＲシステム６０を作動して外部ＥＧＲを筒内に導入するとともに、ＥＧＲ導入領域の比較的高負荷運転領域では圧縮上死点後に多点点火するようにコントロールユニット１００が外部ＥＧＲシステム６０および点火プラグ３４を制御するようにしてもよい。

この実施形態では、エンジン２０の幾何学的圧縮比が高いため、部分負荷運転領域からノッキングが発生しやすくなるが、外部ＥＧＲの導入により比熱が増し、混合気の温度上昇が抑制されるためノッキングが抑制される。さらに多点点火の急速燃焼効果が加わってノッキング抑制効果が増し、部分負荷時にノッキング抑制領域を拡大でき、しかも燃費の向上とも両立することが可能になる。

また、上述した各実施形態において、燃料噴射弁３２や点火プラグ３４としては、図１２、図１３の構成を採用してもよい。

図１２は本発明のさらに別の実施形態に係るエンジン２０の断面図であり、図１３は図１２の実施形態に係る気筒部分の拡大略図である。

図１２、図１３を参照して、燃料噴射弁３２の配置としては、気筒２４の中央部分に配置されたセンター噴射方式を採用してもよい。さらに、点火プラグ３４としては、３本に限らず、例えば、吸気ポート２８、２８間にも配置された４本構成にしてもよい。

図１２および図１３の実施形態では、気筒２４の中央部分から燃料が噴射されるとともに、４本の点火プラグ３４によって多点点火されるので、より燃焼速度を迅速にすることが可能になる。

また上述した各実施形態において、スワールを生成する手段としては、上述した開閉弁４３ａに限らず、例えば、吸気弁３０および排気弁３１を１気筒当たり２弁ずつ設け、一方の吸気弁３０の開閉動作を停止させるとともに、開弁動作を行う吸気弁に対して対角線上に位置する排気弁を再開弁動作させるように構成してもよい。

また既燃ガスを吸気ポート２８に吹き返すミラーサイクル効果を得る方法としては、吸気弁３０を遅閉じにする場合のみならず、排気行程後半で吸気弁３０を開く早開きを採用してもよい。

さらに多点点火を具体化するに当たり、高負荷時の多点点火では、中央部分に配置された点火プラグと周辺部分に配置された点火プラグの点火タイミングをずらしてもよい。

その他、本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施の一形態に係る制御装置の概略構成を示す構成図である。 図１に係る４サイクルガソリンエンジンの一つの気筒の構造を示す断面略図である。 本実施形態におけるピストンのモデル図である。 クランク角度に対するピストンの速度を表わすグラフである。 クランク角度とピストン移動量の関係を示すモデル図である。 気筒２４を拡大して示す平面略図である。 本実施形態に係る燃焼室の気流を示す説明図であり、（Ａ）は圧縮行程初期、（Ｂ）は膨張行程初期をそれぞれ示している。 図１の実施形態に係る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特性図である。 特性毎の吸気開弁タイミングと点火タイミングとを示すタイミングチャートである。 エンジン負荷とエンジン回転数の関係を示す特性図である。 本発明の別の実施形態に係る特性図である。 本発明のさらに別の実施形態に係るエンジンの断面図である。 図１２の実施形態に係る気筒部分の拡大略図である。

符号の説明

１０ 制御装置
２０ ４サイクルガソリンエンジン
２１ クランクシャフト
２４ 気筒
２６ａ、２６ｂ スキッシュエリア構成面
２６ ピストン
２７ 燃焼室
２８ 吸気ポート
２９ 排気ポート
３０ 吸気弁
３１ 排気弁
３２ 燃料噴射弁
３４ 点火プラグ
３５ 点火回路
４０ 可変バルブタイミング機構
４３ａ スワール生成用開閉弁
４６ 吸気通路
５０ ヒータ
６０ 外部ＥＧＲシステム
１００ コントロールユニット
Ｏ 回転中心
Ｓ オフセット量
ＳＷ１ エアフローセンサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ２ 吸気温度センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ３ クランク角センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ４ エンジン水温センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ５ 酸素濃度センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ６ アクセル開度センサ（運転状態検出手段の一例）
Ｚ シリンダボア中心

Claims (8)

1. トルクを出力するクランクシャフトと、このクランクシャフトに連結されるピストンと、このピストンを往復移動可能に嵌装することにより、当該ピストンと協働して混合気の燃焼室を区画する気筒とを備えた車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記エンジンの幾何学的圧縮比を１４以上に設定し、
   前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   一気筒当たり複数の点火プラグと、
   運転状態検出手段の検出に基づいて点火プラグの作動を制御する制御手段と
   を設け、アイドル回転数よりも所定回転数高いエンジン低回転領域における高負荷運転領域では、圧縮上死点以降に多点点火するように制御手段が点火プラグを制御することを特徴とする車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１記載の車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置において、
   吸気を加熱する吸気加熱手段を設け、
   部分負荷運転領域では、筒内吸気を加熱して圧縮自己着火運転を行うように前記制御手段が前記吸気加熱手段を制御するものであることを特徴とする車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置。
3. 請求項２記載の車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記部分負荷運転領域の高負荷側では、圧縮自己着火後に多点点火するように制御手段が点火プラグを制御するものであることを特徴とする車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置。
4. 請求項１記載の車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置において、
   既燃ガスの一部を吸気通路に還流する外部ＥＧＲ装置を備え、
   部分負荷運転領域では、外部ＥＧＲを導入するとともにＥＧＲ導入領域の比較的高負荷運転領域では圧縮上死点後に多点点火するように制御手段が外部ＥＧＲ装置および点火プラグを制御するものであることを特徴とする車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記点火プラグは、気筒の中心部にレイアウトされるものを含む少なくとも３本以上に設定されていることを特徴とする車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載の車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記エンジンは、当該クランクシャフトの回転方向が右回りになる側から見て気筒のシリンダボア中心がクランクシャフトの回転中心から右側にオフセットしていることを特徴とする車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置。
7. 請求項１から６の何れか１項記載の車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置において、
   筒内にスワールを生成するスワール生成手段を設けていることを特徴とする車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置。
8. 請求項１から７の何れか１項に記載の車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置において、
   吸気弁の閉弁時期を下死点以前の所定時期であって有効圧縮比が膨張比とほぼ等しくなる第１のタイミングと有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなる第２のタイミングとに変更可能な可変バルブタイミング機構を設け、
   エンジン始動時の少なくとも温間時には吸気弁の閉弁時期が第２のタイミングとなるように前記制御手段が前記可変バルブタイミング機構を制御するものであることを特徴とする車両用４サイクル火花点火式エンジンの制御装置。

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