JP2007056798A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換時に、失火を生じることなく、スムーズに切換可能とする。
【解決手段】 圧縮着火燃焼を行わせるときは、可変動弁装置により、マイナスオーバーラップ（−Ｏ／Ｌ）を持たせると共に、この−Ｏ／Ｌ中に、所定量の燃料を噴射する。火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換要求を受けると、火花点火燃焼を継続したまま、−Ｏ／Ｌを持たせるように可変動弁装置の切換えを開始する。その後、実際の−Ｏ／Ｌ量を監視し、これが、−Ｏ／Ｌ中に前記所定量の燃料を噴射するために必要な噴射期間（噴射パルス幅Ｑｆ１）より大きくなるまで、圧縮着火燃焼へ切換えを禁止する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、運転領域に応じて火花点火燃焼と圧縮着火燃焼（圧縮自己着火燃焼）とを切換える内燃機関において、特に火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換時の制御装置に関する。

特許文献１には、所定の運転領域にて、リーン燃焼により優れた燃費及び排気組成が得られる圧縮着火燃焼を行わせ、他の運転領域にて、高出力が得られる火花点火燃焼を行わせるようにした内燃機関が記載されている。
また、特許文献１に記載の内燃機関では、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼へ切換える際は、圧縮比を切換えて圧縮端温度を切換えつつ、膨張行程で燃料噴射することにより（膨張行程噴射された燃料の燃焼によって既燃ガスの温度を高め、この高温のガスが次サイクルへと残留することで、次サイクルの混合気温度を上昇させることにより）、切換途中の圧縮端温度を高温に維持して圧縮着火燃焼を可能とし、膨張行程時の燃料噴射を停止して燃焼状態の切換えを完了している。
特開２００３−３４３３１３号公報

ところで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼へ切換える際、圧縮着火燃焼に必要な可変装置（例えば可変動弁装置、圧縮比可変装置）を切換える必要があるが、これらの動作遅れ、あるいは切換ショック防止のため緩速度で切換えることにより、切換えが十分なされないうちに、圧縮着火燃焼に切換えると、失火を生じ、一旦失火すると、温度が低下してしまうので、火花点火燃焼に戻さざるを得ず、その分、燃費向上効果が得られないという問題点があった。

また、特許文献１に記載の技術のように、切換時に膨張行程噴射を行っても、圧縮着火に必要な可変装置の切換えが不十分であれば、失火する恐れがあり、膨張行程噴射のように、温度を上昇させるためだけに燃料を余計に使用するのは、燃費の悪化となる。
本発明は、このような実状に鑑み、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換時に、失火を生じることなく、スムーズに切換可能とすることを目的とする。

このため、本発明は、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換要求を受けて、火花点火燃焼を継続したまま、圧縮着火燃焼に必要な可変装置の切換えを開始するが、前記可変装置の切換開始後の実際の状態を監視し、これが圧縮着火燃焼を可能とする予め定めた状態に達するまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換えを禁止する構成とする。

本発明によれば、圧縮着火燃焼に必要な可変装置が圧縮着火燃焼を可能とする予め定めた状態に達してから、圧縮着火燃焼に切換えるため、失火を防止でき、スムーズな切換えが可能となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（エンジン）のシステム図である。
シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３によって画成される燃焼室４は、吸気弁５を介して吸気ポート６と接続され、また排気弁７を介して排気ポート８と接続されている。吸気弁５及び排気弁７の開閉時期は、それぞれ、可変動弁装置９、１０により制御可能である。

各可変動弁装置９、１０としては、例えば、クランク軸とカム軸との回転位相を変更して吸・排気弁のバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）を可変制御可能なバルブタイミング可変装置（ＶＴＣ装置）と、バルブ作動角（開期間）及びバルブリフト量を連続的に可変制御可能なバルブ作動角及びバルブリフト連続可変装置（ＶＥＬ装置）とを組み合わせて用いる。この他、ＶＴＣ装置と、カム切換えによりバルブリフト量を複数段に切換可能なバルブリフト可変装置（ＶＶＬ装置）とを組み合わせて用いてもよいし、吸・排気弁弁を電磁アクチュエータにより駆動する電磁駆動弁装置（ＥＭＶ装置）を用いてもよい。

燃焼室４内には、燃料噴射弁１１と、点火プラグ１２とが臨んでいる。点火プラグ１２は火花点火燃焼用である。
吸気通路１３には、電制スロットル弁１４が設けられている。また、必要により、圧縮着火燃焼時の吸気加熱用にヒータあるいは過給機等の吸気加熱装置が設けられるが、図示は省略した。

可変動弁装置９、１０、燃料噴射弁１１、点火プラグ１２、及び、電制スロットル弁１４の作動は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１５により制御される。
ＥＣＵ１５には、クランク角センサ（図示せず）により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度センサ（図示せず）により検出されるアクセル開度ＡＰＯ、エアフローメータ（図示せず）により検出される吸入空気量Ｑａの他、バルブタイミングセンサ１６により検出される吸気弁５及び排気弁７の実際のバルブタイミング等の情報が入力されている。

本実施形態のエンジンでは、図２に示すように、比較的低負荷側の所定の運転領域にて、筒内温度、筒内圧力を高めて、圧縮着火燃焼を行わせ、このとき空燃比をリーン化することで、燃費を節減する。
その一方、高負荷側やアイドル運転域など、他の運転領域では、点火プラグ１２を用いて、火花点火燃焼を行わせ、高出力やアイドル安定性を確保する。

ところで、圧縮着火燃焼時を行わせるときには、可変動弁装置９、１０により、排気弁７の閉時期を早め、吸気弁５の開時期を遅らせることで、排気行程と吸気行程との間で排気弁７と吸気弁５とが共に閉となるマイナスオーバーラップ（−Ｏ／Ｌ）を持たせると共に、燃焼室４内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１１により、吸気行程ないし圧縮行程でのメイン噴射に先立って、前記マイナスオーバーラップ中に、所定量の燃料を噴射する。

マイナスオーバーラップを持たせることで、内部ＥＧＲ量を増加させ、筒内温度を高めることができると共に、マイナスオーバーラップ中に噴射された燃料は、低酸素濃度下で圧縮・膨張されることで、「蒸し焼き」状態となって、着火しやすい燃料に改質される結果、圧縮着火燃焼を容易化することができる。
しかし、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換時に、可変動弁装置９、１０の動作遅れ、あるいは切換ショック防止のため緩速度で切換えることにより、マイナスオーバーラップ量（マイナスオーバーラップ期間の長さ）が不十分なうちに、燃料噴射を行うと、噴射された燃料が吸気ポート６又は排気ポート８へ吹き返し、排気の悪化等をもたらす。

そこで、本実施形態では、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換要求を受けて、火花点火燃焼を継続したまま、マイナスオーバーラップを持たせるように可変動弁装置９、１０の切換えを開始し、可変動弁装置９、１０の切換開始後の実際のマイナスオーバーラップ量を監視し、実際のマイナスオーバーラップ量が、マイナスオーバーラップ中に前記所定量の燃料を噴射するために必要な噴射期間より大きくなるまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換を禁止する。

具体的な制御をフローチャートによって説明する。
図３は火花点火燃焼→圧縮着火燃焼の切換制御ルーチンのフローチャートである。
本ルーチンは、別ルーチンにて、図２のマップを参照し、現在のエンジン回転数Ｎｅ及び負荷（負荷としては、アクセル開度ＡＰＯ、エンジントルクなど）から、圧縮着火燃焼を行わせる運転領域（圧縮着火領域）か、火花点火燃焼を行わせる運転領域（火花点火領域）かを判定した結果、火花点火領域から圧縮着火領域に変化したときに、これを切換要求（Ｓ０）として、起動される。

Ｓ１では、圧縮着火燃焼への切換えが可能となるまで、点火プラグ１２を用いた火花点火燃焼を継続する。
Ｓ２では、圧縮着火燃焼に切換えるために、運転条件の切換えを開始する。
具体的には、可変動弁装置９、１０の切換えを開始し、排気弁７の閉時期を早め、吸気弁５の開時期を遅らせることで、排気行程と吸気行程との間で排気弁７と吸気弁５とが共に閉となるマイナスオーバーラップ（−Ｏ／Ｌ）を持たせるようにする。また、電制スロットル弁１４を開くと共に、吸気行程又は圧縮行程でのメイン噴射量を減少させ、空燃比（Ａ／Ｆ）をリーン化する。これらの切換えは切換ショックを防止すべく緩速度で行う。

尚、可変動弁装置９、１０により、特にＶＴＣ装置とＶＥＬ装置との組み合わせにより、マイナスオーバーラップを持たせる際は、図４に示すように、排気弁７の通常のリフト特性ｅ１に対し、ＶＴＣ装置によりバルブ作動角の中心位相を遅角すると共にＶＥＬ装置によりバルブリフト量（及びバルブ作動角）を小さくして、ｅ２のリフト特性にする。また、吸気弁５の通常のリフト特性ｉ１に対し、ＶＴＣ装置によりバルブ作動角の中心位相を進角すると共にＶＥＬ装置によりバルブリフト量（及びバルブ作動角）を小さくして、ｉ２のリフト特性にする。これらにより、マイナスオーバーラップ（−Ｏ／Ｌ）が形成される。

Ｓ３では、バルブタイミングセンサ１６からの信号に基づいて、吸気弁５及び排気弁７の実際のバルブタイミングを検出し、これらから、実際のマイナスオーバーラップ量（実−Ｏ／Ｌ量；排気弁７の閉時期から吸気弁５の開時期までのマイナスオーバーラップ期間の長さ）を検出する。
Ｓ４では、実際のマイナスオーバーラップ量（実−Ｏ／Ｌ量）とマイナスオーバーラップ中に所定量の燃料を噴射するために必要な期間（マイナスオーバーラップ中噴射の噴射パルス幅Ｑｆ１）とを比較し、実−Ｏ／Ｌ量≧Ｑｆ１か否かを判定する。

実−Ｏ／Ｌ量＜Ｑｆ１の場合は、Ｓ３、Ｓ４の検出・判定を繰り返す。
実−Ｏ／Ｌ量≧Ｑｆ１と判定された場合は、Ｓ５へ進んで、マイナスオーバーラップ中噴射を開始すると同時に、Ｓ６へ進んで、火花点火燃焼を終了し、圧縮着火燃焼を開始する。
すなわち、図５に示すように、実−Ｏ／Ｌ量が−Ｏ／Ｌ中噴射パルス幅Ｑｆ１に達するまでは、圧縮着火燃焼への切換えを禁止し、達した時点で、圧縮着火燃焼への切換えを許可するのである。

尚、圧縮着火燃焼を開始する際、メイン噴射量は、マイナスオーバーラップ中噴射の噴射量の分、減少させる他、更に減少させて、圧縮着火燃焼にて最適な空燃比となるように、空燃比をリーン化する。
図６は火花点火燃焼→圧縮着火燃焼の切換制御のタイムチャートである。
運転領域が火花点火領域から圧縮着火領域へ変化して、切換要求を生じると、この時点から、スロットル弁開度を増大させ、―Ｏ／Ｌ量を増大させ、メイン噴射量を減少させる。その後、−Ｏ／Ｌ量が−Ｏ／Ｌ中噴射の噴射パルス幅Ｑｆ１に達すると、圧縮着火燃焼への切換えが許可され、圧縮着火燃焼が開始される。このとき、−Ｏ／Ｌ噴射が開始されて、着火性が向上する。―Ｏ／Ｌ噴射が開始されると、その分以上、メイン噴射量が減少されて、空燃比が更にリーン化される。

本実施形態によれば、圧縮着火燃焼を行わせるときは、可変動弁装置９、１０により、排気行程と吸気行程との間で排気弁７と吸気弁５とが共に閉となるマイナスオーバーラップを持たせると共に、燃焼室４内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１１により、吸気行程ないし圧縮行程でのメイン噴射に先立って、前記マイナスオーバーラップ中に、所定量の燃料を噴射するため、燃料を改質して、着火性を高めることができるので、失火を防止でき、圧縮着火燃焼を良好なものとすることができる。

また、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換要求を受けて、火花点火燃焼を継続したまま、前記マイナスオーバーラップを持たせるように前記可変動弁装置９、１０の切換えを開始する手段（Ｓ２）と、前記可変動弁装置９、１０の切換開始後の実際のマイナスオーバーラップ量を監視する手段（Ｓ３）と、実際のマイナスオーバーラップ量が、マイナスオーバーラップ中に前記所定量の燃料を噴射するために必要な噴射期間より大きくなるまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼へ切換えを禁止する手段（Ｓ４）とを設けたため、マイナスオーバーラップ中に噴射する燃料が吸気ポートや排気ポートへ吹き返して、排気の悪化等をもたらすのを防止することができる。よって、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼へのスムーズな切換えを実現できる。

次に本発明の第２実施形態について説明する。
第２実施形態では、可変動弁装置９、１０による実際のマイナスオーバーラップ量が圧縮着火燃焼の要求値に達するまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換えを禁止する構成としている。
図７は第２実施形態での火花点火燃焼→圧縮着火燃焼の切換制御ルーチンのフローチャートであり、図３のルーチンとはＳ４’の部分のみが異なる。

Ｓ４’では、実際のマイナスオーバーラップ量（実−Ｏ／Ｌ量）と圧縮着火燃焼時の要求マイナスオーバーラップ量（要求−Ｏ／Ｌ量）とを比較し、実−Ｏ／Ｌ量≧要求−Ｏ／Ｌ量か否かを判定する。
実−Ｏ／Ｌ量＜要求−Ｏ／Ｌ量の場合は、Ｓ３、Ｓ４の検出・判定を繰り返す。
実−Ｏ／Ｌ量≧要求−Ｏ／Ｌ量と判定された場合は、Ｓ５へ進んで、マイナスオーバーラップ中噴射を開始すると同時に、Ｓ６へ進んで、火花点火燃焼を終了し、圧縮着火燃焼を開始する。

すなわち、図８に示すように、実−Ｏ／Ｌ量が要求−Ｏ／Ｌ量に達するまでは、圧縮着火燃焼への切換えを禁止し、要求−Ｏ／Ｌ量に達した時点で、圧縮着火燃焼への切換えを許可するのである。
本実施形態によれば、可変動弁装置９、１０による実際のマイナスオーバーラップ量が圧縮着火燃焼時の要求値に達するまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換えを禁止することにより、実際のマイナスオーバーラップ量が不十分なうちに切換えがなされて、失火に至るのを防止できる。

尚、図５の圧縮着火燃焼許可と図８の圧縮着火燃焼許可とのＡＮＤで、最終的な圧縮着火燃焼の許可を行うようにしてもよい。
次に本発明の第３実施形態について説明する。
第３実施形態では、図９にシステム図を示すように、エンジンの圧縮比を変更でき、圧縮着火燃焼を行わせるときにエンジンの圧縮比を高くすることができる圧縮比可変装置１７を備えている。圧縮比可変装置１７としては、例えば、複リンク式ピストン−クランク機構を用いてピストンストロークを変更するもの（特開２００１−２６３０９９号公報参照）、ピストンピンとピストンとの早退位置を変更するもの、シリンダヘッドとシリンダブロックとの相対位置を変更するもの等を使用することができる。

また、実際の圧縮比を検出するため、圧縮比可変装置１７の状態から圧縮比を検出する圧縮比センサ１８を備えている。
かかる構成の下、第３実施形態では、圧縮比可変装置１７による実際の圧縮比が圧縮着火燃焼時の要求圧縮比に達するまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換えを禁止する構成としている。

図１０は第３実施形態での火花点火燃焼→圧縮着火燃焼の切換制御ルーチンのフローチャートであり、図３のルーチンと同様に起動される。
Ｓ１１では、圧縮着火燃焼への切換えが可能となるまで、点火プラグ１２を用いた火花点火燃焼を継続する。
Ｓ１２では、圧縮着火燃焼に切換えるために、運転条件の切換えを開始する。

具体的には、圧縮比可変装置１７の切換えを開始して、圧縮比εを増大させる。また、電制スロットル弁１４を開くと共に、吸気行程又は圧縮行程でのメイン噴射量を減少させ、空燃比（Ａ／Ｆ）をリーン化する。これらの切換えは切換ショックを防止すべく緩速度で行う。
Ｓ１３では、圧縮比センサ１８からの信号に基づいて、実際の圧縮比（実ε）を検出する。

Ｓ１４では、実際の圧縮比（実ε）と圧縮着火燃焼時の要求圧縮比（要求ε）とを比較し、実ε≧要求εか否かを判定する。
実ε＜要求εの場合は、Ｓ１３、Ｓ１４の検出・判定を繰り返す。
実ε≧要求εと判定された場合は、Ｓ１５へ進んで、火花点火燃焼を終了し、圧縮着火燃焼を開始する。

すなわち、図１１に示すように、実εが要求εに達するまでは、圧縮着火燃焼への切換えを禁止し、要求εに達した時点で、圧縮着火燃焼への切換えを許可するのである。
尚、圧縮着火燃焼を開始する際、メイン噴射量を減少させて、圧縮着火燃焼にて最適な空燃比となるように、空燃比をリーン化する。
図１２は第３実施形態での火花点火燃焼→圧縮着火燃焼の切換制御のタイムチャートである。

運転領域が火花点火領域から圧縮着火領域へ変化して、切換要求を生じると、この時点から、スロットル弁開度を増大させ、圧縮比εを増大させ、メイン噴射量を減少させる。その後、圧縮比εが要求εに達すると、圧縮着火燃焼への切換えが許可され、圧縮着火燃焼が開始される。このとき、メイン噴射量が更に減少されて、空燃比が更にリーン化される。

本実施形態によれば、圧縮比可変装置１７による実際の圧縮比が圧縮着火燃焼時の要求圧縮比に達するまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換えを禁止することにより、実際の圧縮比が不十分なうちに切換えがなされて、失火に至るのを防止できる。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 圧縮着火燃焼／火花点火燃焼を行わせる運転領域マップの概略図 火花点火燃焼→圧縮着火燃焼の切換制御ルーチンのフローチャート マイナスオーバーラップの実施手段の説明図 圧縮着火燃焼許可判定の説明図 火花点火燃焼→圧縮着火燃焼の切換制御のタイムチャート 第２実施形態での切換制御ルーチンのフローチャート 第２実施形態での圧縮着火燃焼許可判定の説明図 第３実施形態でのエンジンのシステム図 第３実施形態での切換制御ルーチンのフローチャート 第３実施形態での圧縮着火燃焼許可判定の説明図 第３実施形態での切換制御のタイムチャート

符号の説明

４ 燃焼室
５ 吸気弁
７ 排気弁
９、１０ 可変動弁装置
１１ 燃料噴射弁
１２ 点火プラグ
１４ スロットル弁
１５ ＥＣＵ
１６ バルブタイミングセンサ
１７ 圧縮比可変装置
１８ 圧縮比センサ

Claims (6)

1. 運転領域に応じて火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを切換可能な内燃機関の制御装置において、
   火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換要求を受けて、火花点火燃焼を継続したまま、圧縮着火燃焼に必要な可変装置の切換えを開始する手段と、
   前記可変装置の切換開始後の実際の状態を監視する手段と、
   前記可変装置の実際の状態が圧縮着火燃焼を可能とする予め定めた状態に達するまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換えを禁止する手段と、
   を設けたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記可変装置は、吸気弁及び排気弁の開閉時期を制御する可変動弁装置であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 圧縮着火燃焼を行わせるときに、可変動弁装置により、排気行程と吸気行程との間で排気弁と吸気弁とが共に閉となるマイナスオーバーラップを持たせると共に、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁により、吸気行程ないし圧縮行程でのメイン噴射に先立って、前記マイナスオーバーラップ中に、所定量の燃料を噴射する手段を備え、
   前記可変装置は、前記マイナスオーバーラップを持たせるように吸気弁及び排気弁の開閉時期を制御する可変動弁装置であり、
   前記切換禁止手段は、前記可変動弁装置による実際のマイナスオーバーラップ量が、マイナスオーバーラップ中に前記所定量の燃料を噴射するために必要な噴射期間より大きくなるまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換えを禁止することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 運転領域に応じて火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを切換可能で、圧縮着火燃焼を行わせるときは、可変動弁装置により、排気行程と吸気行程との間で排気弁と吸気弁とが共に閉となるマイナスオーバーラップを持たせると共に、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁により、吸気行程ないし圧縮行程でのメイン噴射に先立って、前記マイナスオーバーラップ中に、所定量の燃料を噴射する内燃機関の制御装置において、
   火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換要求を受けて、火花点火燃焼を継続したまま、前記マイナスオーバーラップを持たせるように前記可変動弁装置の切換えを開始する手段と、
   前記可変動弁装置の切換開始後の実際のマイナスオーバーラップ量を監視する手段と、
   実際のマイナスオーバーラップ量が、マイナスオーバーラップ中に前記所定量の燃料を噴射するために必要な噴射期間より大きくなるまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼へ切換えを禁止する手段と、
   を設けたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 前記可変装置は、圧縮着火燃焼を行わせるときに、排気行程と吸気行程との間で排気弁と吸気弁とが共に閉となるマイナスオーバーラップを持たせる可変動弁装置であり、
   前記切換禁止手段は、前記可変動弁装置による実際のマイナスオーバーラップ量が圧縮着火燃焼時の要求値に達するまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換えを禁止することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記可変装置は、圧縮着火燃焼を行わせるときに、機関の圧縮比を高くする圧縮比可変装置であり、
   前記切換禁止手段は、前記圧縮比可変装置による実際の圧縮比が圧縮着火燃焼時の要求圧縮比に達するまで、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換えを禁止することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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