JP2008111442A

JP2008111442A - エンジンの運転方法

Info

Publication number: JP2008111442A
Application number: JP2007281750A
Authority: JP
Inventors: Dennis C Reed; クレイグリードデニス; Trask Nate; トラスクネイト; Alex O'connor Gibson; オコナーギブソンアレックス
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2008-05-15
Also published as: US20080098969A1; CN101173626B; CN101173626A; US7426916B2

Abstract

【課題】HCCIモードで動作可能な気筒を有するエンジンにおいて、ストイキよりもリーンな充填空気による燃料経済性の改善と、これに伴い悪化する傾向にある触媒の有効性とを高いレベルで両立し得るエンジンの運転方法を提供する。
【解決手段】気筒内に第一の量の燃料を噴射する工程(216)と、この第一の量の燃料と空気との第一混合気を圧縮して自己着火させる工程(218)と、その第一混合気の着火後に、気筒内に第二の量の燃料を噴射する工程(222)と、この第二の量の燃料と上記第一混合気の自己着火後のガスとの第二混合気を燃焼させる工程(224)と、上記第一混合気の自己着火から第二混合気の燃焼までの間、気筒の吸気バルブを閉状態に保持する工程(218〜224)と、燃焼された第二混合気を排気する工程(226)とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジンの運転方法に関連し、特に、吸気及び排気バルブを備えて、ある条件下において気筒内の混合気の自己着火が可能とされた少なくとも一つの気筒を有するエンジンの運転方法に関連する。

内燃機関(エンジン)のいくつかは、一つ又はそれ以上の気筒が、ピストンによる圧縮を介して充填混合気の制御された自己着火(controlled auto-ignition：CAI)を含むモード、即ち一般に予混合圧縮着火（homogeneous charge compression ignition: HCCI）と呼称され得るモードにて、動作し得る。HCCIモードは、燃料経済性の改善及び/又は排出物質の減少を目的として、或る条件下において使用され得る。取り組み例の一つとして、気筒内の実質的に均質な混合気が、点火装置による点火を必ずしも必要としないよう、自己着火が発生するまで圧縮される。

或る条件において、HCCIモードにおけるエンジンの運転は、火花点火(SI)のような他の燃焼形式と比較して、動作範囲が狭くなったり、その範囲が制限される場合がある。取り組みの一つとして、非特許文献１には、低速及び低負荷の領域においてCAIを可能とするために、2行程、6行程、及び8行程サイクルで運転することが記載される。例として、空燃比のリーンな成層充填で火花点火を介して実行される第一の燃焼と、CAIを伴って実行される第二の燃焼を含む、6行程サイクルが記載される。
「制御された自己着火燃焼方法のための可変バルブ・トレインに向けての熱力学的及び機械的アプローチ(Thermodynamical and Mechanical Approach Towards a Variable Valve Train for the Controlled Auto Ignition Combustion Process)」 SAE論文 2005-01-0762

しかしながら、上述の取り組みにはいくつかの問題点が在る。例の一つとして、ストイキよりもリーンな充填混合気を使用するHCCIモードにおいてエンジンを運転する時には、NOX触媒のようないくつかの排出物制御装置の有効性が低下することがある。そのため、リーン運転による燃料経済性の改善と、これに伴う触媒の有効性の低下との間には、所謂トレード・オフの関係が存在する場合がある。

ここに記載されるように、上述の課題に取り組む方法として本発明は、吸気バルブと排気バルブとを備えた少なくとも一つの気筒を有するエンジンの運転方法を対象として、上記気筒内に第一の量の燃料を噴射する工程、空気と上記第一の量の燃料との第一混合気を圧縮して自己着火させる工程、上記第一混合気の着火後に、上記気筒内に第二の量の燃料を噴射する工程、上記第二の量の燃料と上記第一混合気の自己着火後のガスとの第二混合気を燃焼する工程、上記第一混合気の自己着火から上記第二混合気の燃焼までの間において、上記気筒の吸気バルブを閉状態に保持する工程、及び、燃焼した第二混合気を排気する工程、を備えるものである。

このようにして、エンジンの一つ以上の気筒を、それに最初に充填された空気が二つの独立した燃焼に用いられる酸素の実質的に全量を供給する態様で、運転することができる。例の一つとして、第一燃焼のときには均質充填混合気がストイキよりもリーンになるように、且つ、リーン運転による燃料経済性の改善を利用すべく自己着火されるように、制御される。一方で、第二の均質充填混合気の自己着火による第二燃焼は、よりストイキに近い混合気によって行われることで、触媒の有効性を改善できる場合がある。しかしながら或る条件においては、別の方法として、第二の燃焼は火花を含み得て、後に続く自己着火を容易ならしめる高温の残留ガスを提供することもある。

さらに、上記非特許文献に記述されているように、気筒のいくつか又は全てを６行程サイクルで運転すると、或る状況下では、エンジン又は車両のドライブ・トレインにおけるトルクインバランス（torque imbalance）の増大をもたらす場合がある。本明細書では、エンジンの運転状態に基づいて、少なくとも一部の気筒の運転を単一の爆発行程を含む４行程サイクルと、二つの爆発行程を含む６行程サイクルとの間で変更する方法を提供することにより、この問題への取り組みを示す。例のいくつかにおいて、運転状態というのは、運転者によって選択された運転モード（performance mode）、エンジンによって生成される、及び/又はドライブ・トレインに伝達される振動のレベル、並びに、上記エンジンに連結された変速機の状態等、のうちの一つ又はそれ以上を含む。

本発明に係るエンジンの運転方法によると、NVH及び/又は排出物を低減しつつ、全体として低い燃料消費を達成することができる。

以下に記述するように、エンジンは、一つ又はそれ以上の気筒で予混合圧縮着火(homogeneous charge compression ignition : HCCI)モードを実行している間、６行程サイクルで運転される場合がある。６行程サイクルは、同じ初回充填空気、又は、実質的に同じ初回充填空気の少なくとも一部を使って実行される、二つの独立した自己着火を含み得る。第一の燃焼がストイキよりもリーンな第一混合気によって行われる一方で、第二の燃焼は(任意に新気を追加しながら)第一混合気よりリーン度合いが小さい第二混合気を形成するための第二の燃料噴射を伴って、第一の燃焼による混合気に対して行われ得る。このようにしてエンジンは、排出物制御装置によりNOXが効果的に低減されるのを可能にしながら、気筒の少なくともいくつかをHCCIモードで運転し得る。さらに、いくつかの条件下ではHCCIモードの運転領域が拡大される場合がある。

図1は、自動車の推進システム内に含まれ得る多気筒エンジン10の気筒の一つを示す概略図である。エンジン10は、制御器12を含む制御装置、及び、入力装置130を介した車両の運転者132からの入力によって、少なくとも部分的に制御され得る。この例において、入力装置130は、アクセルペダル、及び、ペダル位置に比例するペダル位置信号PPを発生するためのペダル位置センサー134を含む。エンジン10の燃焼室(即ち、気筒)30は、ピストン36がその中に配置される燃焼室壁32を含み得る。ピストン36は、ピストンの往復運動がクランクシャフトの回転運動に変換されるように、クランクシャフト40に連結され得る。クランクシャフト40は、変速装置を介して、乗用自動車の駆動輪の少なくとも一つに連結され得る。さらに、スターター・モーターは、エンジン10の始動動作を可能とすべく、フライホイールを介してクランクシャフト40に連結され得る。

燃焼室30は、吸気マニフォールド42を介して吸気通路44から吸気を受け入れ、排気通路48を介して燃焼ガスを排出し得る。吸気通路44と排気通路48は、各々吸気バルブ52と排気バルブ54を介して燃焼室30と連通することが出来る。実施形態のいくつかにおいては、燃焼室30は、二つ以上の吸気バルブ及び/又は二つ以上の排気バルブを備え得る。

吸気バルブ52は、バルブ・タイミングを制御する電動式、電磁式、又は電気流体式のアクチュエーターを使用し得る可変バルブ・タイミング・アクチュエーター(VVTA)51を介して、制御器12によって制御され得る。同様に、排気バルブ54は、VVTA53を介して制御器12によって制御され得る。いくつかの状態において、制御器12は、吸気及び排気バルブの各々を開閉制御するため、アクチュエーター51及び53に提供される信号を変化させ得る。吸気バルブ52と排気バルブ54の位置は、各々、バルブ位置センサー55及び57によって検出され得る。別の実施形態において、吸気及び排気バルブの一つ又はそれ以上が、一つ又はそれ以上のカムによって駆動され得て、バルブの作動を変更するために、カム・プロファイル切換え(cam profile switching : CPS)システム、可変カム・タイミング(variable cam timing : VCT)システム、可変バルブ・タイミング(variable valve timing : VVT)システム、及び、可変バルブ・リフト(variable valve lift : VVL)システムの一つ又はそれ以上を利用し得る。あるいは、例えば、気筒30は、電気的なバルブ駆動を介して制御される吸気バルブと、CPS及び/又はVCTを含むカム駆動を介して制御される排気バルブを備え得る。

燃料噴射弁66が、電気ドライバ68を介して制御器12から受信したパルス幅信号FPWに比例して燃料を直接的にその内部に噴射するために、燃焼室30に臨んで配設されているのが示されている。このようにして、燃料噴射弁66は、燃焼室30内への燃料の直接噴射として知られる構造を提供する。燃料噴射弁66は、例えば、燃焼室の側面又は上面に取り付けられ得る。燃料は、燃料タンク、燃料ポンプ、及び燃料レールを含む燃料装置(図示されず)によって、燃料噴射弁66に供給され得る。実施形態のいくつかにおいては、代案として、又はそれに加えて、燃焼室30の上流の吸気ポート内に燃料を噴射（ポート噴射）するように、吸気通路44には燃料噴射弁が配設され得る。

吸気マニフォールド42は、例えば蝶弁のような弁体64を有するスロットル弁62を含み得る。この特定の例では、弁体64の位置は、スロットル弁62に付属する電気モーター或いはアクチュエーターに供給される信号を介して制御器12によって変えられ、電子スロットル制御（electronic throttle control: ETC）と通常呼ばれる構成であり得る。スロットル弁62は、この方法により、エンジン気筒の燃焼室30に供給される吸気の流れを変更すべく作動させられる場合がある。弁体64の位置は、スロットル位置信号TPによって制御器12に提供され得る。吸気マニフォールド42は、信号MAFと信号MAPの各々を制御器12に提供する質量空気量センサー120とマニフォールド空気圧力センサー122とを含み得る。

或る条件において、エンジン10の気筒の一つ又はそれ以上は、実行されるべき点火火花を必ずしも必要とすることなくHCCIモードで運転可能であるが、その代わりに、燃焼室の中の実質的に均一な混合気を自己着火するため、ピストンによる圧縮を利用する。しかしながら、実施形態のいくつかにおいては、選択された運転モードにおいて、制御器12からの点火推進信号SAに応じて燃焼室30に点火プラグ92により点火火花を供給するための、点火装置88が含まれる場合がある。火花点火装置は示されているものの、実施形態のいくつかにおいては、エンジン10の燃焼室30、或いは、一つ又はそれ以上の他の燃焼室は、点火火花を伴った圧縮着火モード、或いは、点火火花を伴わない圧縮着火モードにて運転され得る。

排気ガスセンサー126が、排出物制御装置70の上流にて排気通路48に結合されているのが示されている。センサー126は、線形酸素センサー、汎用又は広範囲排気ガス酸素(Universal or Wide-range Exhaust Gas Oxygen :UEGO）センサー、ニ状態酸素センサー、EGO(Exhaust Gas Oxygen）センサー、HEGO(加熱型EGO)センサー、NOXセンサー、HCセンサー、あるいはCOセンサー76のような、排気ガスの空燃比の指標を提供するのに適するいかなるセンサーでもあり得る。排出物制御装置70が、排気通路48に沿って、排気ガスセンサー126の下流にて配置されているのが示されている。装置70は、三元触媒(TWC)、NOXトラップ、他の様々な排出物制御装置、或いは、それらの組み合わせであり得る。実施形態のいくつかにおいて、排出物制御装置70は、エンジン10の運転中、エンジンの気筒の少なくとも一つを特定の空燃比範囲にて運転することによって、周期的にリセットされ得る。

制御器12は、図1において、マイクロプロセッサ・ユニット102、入力/出力ポート104、この特定の例において読み出し専用メモリー(read-only-memory : ROM)チップ106として表される、実行可能なプログラムと校正値のための電子記録媒体、ランダム・アクセス・メモリー(random-access-memory: RAM )108、キープ・アライブ・メモリ（Keep-alive-memory）110、及びデータ・バスを含む、マイクロコンピュータとして示される。制御器12は、エンジン10に結合されたセンサーから、前述の信号に加え、質量空気量センサー120からの吸入質量空気量(MAF)の計測値、ウオーター・ジャケット114に結合された温度センサー112からのエンジン冷媒温度(ECT)、クランクシャフト40に結合されたホール効果センサー118(又は他の種類のセンサー)からのプロファイル点火ピックアップ信号(PIP)、スロットル位置センサーからのスロットル位置（TP）、及び、センサー122からのマニフォールド圧力信号MAPを含む、種々の信号を受信し得る。エンジン速度信号RPMは、信号PIPから制御器12によって発生され得る。マニフォールド圧力センサーからのマニフォールド圧力信号MAPは、吸気マニフォールド内の負圧又は圧力を指標を提供するために使用され得る。MAPセンサーを設けることなくMAFセンサーを設けるような、又は、その反対のような、上述のセンサーの様々な組み合わせが使用され得ることを記しておく。

上述のように、図1は、多気筒エンジンの一つの気筒のみを示しており、各々の気筒は同様にそれ自身の吸気/排気バルブ、燃料噴射弁、点火プラグ等の一式を含み得る。

さらに、或る実施形態において、エンジン10は、車両の運転者が、スポーツモード182、経済性モード184、及び、快適モード186のような一つ又はそれ以上の性能モードの中から選択するのを可能とするモード選択スイッチ180を含み得る。以下に詳述されるように、スイッチ180を介した特定の運転モードの選択はエンジンの作動のさせ方を変化させ得る。例の一つとして、制御装置は、エンジンのどの気筒を、４行程又は６行程サイクルの一方によってSIモード及びHCCIモードで運転するか、あるいは、気筒休止させるか否かを特定する時に、異なったロジックを用いる場合がある。さらに、選択された性能モードは、使用される点火タイミングのリタード量、許容されるNVH(ノイズ、振動そしてハーシュネス)またはトルク不釣合い、バルブ・タイミング、あるいはエンジンの他の運転状態を含む、エンジン制御の他の態様を変える場合がある。

図2は、エンジンの気筒の少なくとも一つを６行程サイクルにて運転するために実行され得るルーチンの限定しない例を示す。ステップ210において、現在の運転状態及び/又は将来予測される運転状態に基づいて、気筒を６行程サイクルで運転させるか否かが判定され得る。例の一つとして、例えば選択スイッチ180等を介して車両の運転者によって選択された運転モード（performance mode）に基づいて、気筒の一つ又はそれ以上を６行程サイクルで運転するか否かが判定され得る。

例えば、エコノミモードが選択されると、エンジンのより多くの気筒、或いは、より少数の気筒を、燃料経済性を高める為に６行程サイクルで運転させるが、これは、或る条件においては、後述するようにトルク・インバランス（torque imbalance）の増大をもたらす場合がある。また、エコノミモードが選択されると、燃料消費量を削減するために、HCCIモードが火花点火モードより多く使用されるか、及び/又は、一つ又はそれ以上の気筒の休止頻度が増加される場合もある。別の例として、コンフォートモードの選択は、燃料消費量を増大させる可能性をもつ一方で、エンジンをNVH(ノイズ、振動そしてハーシュネス)又はトルク・インバランスが低減された状態で、運転させ得る。このように、制御装置は、トルク・インバランスを低減するように、６行程サイクル及び４行程サイクルにて運転している気筒の数を選択または変更することが出来、その動作は以下に詳述される。さらに、制御装置は、コンフォートモードのときには、異なる燃焼モード間での移行を低減しようとする場合があり、この場合は、SI運転の使用がHCCI運転よりも増大され得る。また更なる別の例として、より素早いトルク・レスポンスを達成すべく６行程サイクルで動作する気筒の数を増減することを含むスポーツモードの選択は、エンジンを、トルク応答に優れた状態で運転させ得る。後述するように、６行程サイクルでの運転は、気筒からより大きな出力密度をもたらし得るが、エンジンにおけるトルク・インバランスが増大する場合がある。

ステップ210においてＹＥＳの場合、気筒は、４よりも大きな行程数のサイクル(例えば６行程サイクル)で運転され得る。このサイクルには二つの爆発行程が含まれ、それらは実質的に同一の初期充填空気に基づく場合もあれば、同一の初期充填空気に基づかない場合もある。例えば、ステップ212において吸気行程が実行され、そして、そのサイクルの最初の爆発行程において自己着火を達成するための目標充填温度を維持すべく、バルブ・タイミングが変更され得る。また、エンジンが最初の爆発行程をSIモードで動作する場合でも、バルブ・タイミングは充填温度を調節するために調整され得る。

例の一つとして、HCCI運転のために、適切な量の空気を吸気マニフォールドから気筒に吸い込ませながら、閉じ込められた排気ガスの漏れを低減するように、一つ又はそれ以上の吸気バルブが相対的に遅く開かれる場合がある。その場合、吸気バルブは、下死点の後に閉鎖される。しかしながら、所望のタイミングでの自己着火を促進するのに適した充填温度を維持するために、他のバルブ・タイミングが使用される場合もある。ステップ214において圧縮行程が行われ、そして、ステップ216において、ストイキよりリーンである(例えば、過剰酸素を含む)第一混合気を得るべく、例えば直接噴射弁によって第一の燃料噴射が実行され得る。例の一つとして、そのサイクルでの第一充填のための混合気は、３０：１以上、及び/又は１００：１未満の範囲での空燃比とするのが好ましいが、他の適切な空燃比が希薄混合気を得るために使用され得ることもある。例えば、１００：１よりも大きな、又は、３０：１よりも小さな空燃比が使われる場合もある。例の一つとして、５０：１の空燃比を有する第一混合気が第一爆発行程のために使われる場合がある。

ステップ218において第一爆発行程が、充填混合気の点火を伴って実行され得る。HCCIモード運転の場合には、充填混合気の点火は必ずしも火花点火を必要とせず、自己着火の場合も含み得る。しかしながら、例のいくつかにおいては、混合気の自己着火又は燃焼を促進するために火花点火が使用される場合がある。爆発行程において気筒内の空気の一部のみが燃焼されて、少なくとも幾らかの過剰酸素を含むリーン混合気が形成され得る。爆発行程後の下死点近傍においては、目標充填温度を維持すべく一つ又はそれ以上のバルブが作動され得る。例えば、排気ガスの一部を放出するために、排気バルブの一つ又はそれ以上が開かれ、それによって、燃焼室の温度を、後に続く自己着火イベントが爆発行程を開始するのに適したレベルに低減する場合がある。なお、第一の爆発行程によるガスの一部を排気するタイミング（排気バルブを開いてその後に閉じるタイミング）が、後に続く第二燃焼の燃焼タイミングを変更すべく調整される場合もある。

実施形態のいくつかにおいて、そのサイクルの第一燃焼と後に続く第二燃焼との間で、吸気バルブは閉じた状態に保持される場合がある。ステップ220において第一排気行程が実行され得て、その後にステップ222において気筒内への第二の直接燃料噴射が行われる。第二の燃料噴射は、第一噴射よりもストイキに近い(すなわち、リーン度合いが小さい)混合気を得るするように制御され得る。例えば、第二燃料噴射は、そのサイクルの第二燃焼のために気筒内に残されている第一燃焼での生成物（ガス）を用いて、ストイキ混合気(例えば、第一爆発行程より含まれる過剰酸素が少ない混合気)を生成するように制御され得る。ステップ224において、第二爆発行程が、必ずしも点火火花を必要とすることなく、自己着火による混合気の着火を含んで実行され得る。しかしながら、例のいくつかにおいて、第二燃焼は、点火プラグによって実行され得る点火火花によって開始される場合がある。ステップ226においては第二排気行程が実行され得る。このときは、後に続くサイクルのために、閉じ込められた排気ガスによって目標気筒温度を維持すべくバルブ・タイミングが制御される。第二排気行程における排気ガスの量は第一爆発行程の後に排出され得る排気ガスの量よりも多く、且つ、リーン度合いが小さいことは理解出来るであろう。次に、ルーチンは、後に続くサイクルのために、ステップ210に戻り得る。

一方で、ステップ210においてＮＯであれば、吸気行程228、圧縮行程230、ステップ232での燃料の直接噴射、爆発行程234、及び排気行程236を含む４行程サイクルが実行され得る。４行程サイクル運転の間、混合気の燃焼態様は、自己着火(例えばHCCI)、或いは、均質混合気又は非均質混合気の火花点火を含み得る。

このようにして、少なくとも或る条件にて６行程サイクル運転を実行することにより、空燃比リーンの第一燃焼による酸素過剰な排気ガスの量を減らすことができ、それによって下流にある排出物制御装置(例えば三元触媒)に流入する過剰酸素の量を減らすことができる。触媒に到達する酸素量の低減は、いくつかの条件下で触媒の働きを改善し得る。さらに、第一燃焼の後に気筒内に残る過剰酸素は、排気される前にそのサイクルの第二燃焼の間によって消費されることになる。このようにして、排出物制御装置に流入する大部分のの排気ガスが、より低い濃度の過剰酸素を含むようになり、そのことによって触媒の有効性が改善され得る。

いくつかの条件下で、上述のルーチンの変形例や代替例が使用されることがある。あるいは、そこにおいてエンジンの気筒が直接噴射弁とポート噴射弁を備える例の一つとして、燃料の第一噴射(例えばステップ216)は少なくともポート噴射を含み、燃料の第二噴射(例えばステップ222)は少なくとも燃料の直接噴射を含み得る。別の例として、第一及び第二燃焼の両方(例えばステップ218とステップ224の膨張行程の間)が、火花点火無しの自己着火を含む場合がある。あるいは、第一及び第二燃焼の一つ或いは両方が、点火火花によって開始される場合もある。例えば、そのサイクルの第一燃焼は制御された自己着火を含み、そして、第二燃焼は火花点火に起因する燃焼を含み得る。また更なる別の例として、6よりも多い行程が使用される場合がある。例えば、気筒が、各々の後に膨張行程が続く少なくとも三つの圧縮行程を含むサイクルによって運転される場合がある。換言すると、1サイクルは、そこにおいて第一燃焼が第一希薄混合気を含み、第二燃焼が第一希薄混合気よりもリーン度合いの小さな第二混合気を含み、そして、第三燃焼が第二混合気よりもリーン度合いが少ない第三混合気を含む、三つ又はそれ以上の燃焼を利用し得る。その場合、一例として、第二燃焼で燃焼された第二混合気を排気した後に、気筒内に第三の量の燃料を噴射し、空気と第三の量の燃料との第三の混合気の自己着火のタイミングが、燃焼された第二混合気の排気のタイミングを変更すること、及び/又は、第二混合気の点火タイミングを変更すること、により調整され得る。

上述の例はエンジンの単一の気筒に関して記述されるが、エンジンの気筒の一つ又はそれ以上が、図2を参照して上述した６行程サイクル或いは４行程サイクルを利用し得ることが理解されるべきである。例えば、エンジン気筒の全てが、1サイクル毎に６行程を備えて運転され、或いは、気筒の一部が４行程にて運転される一方で他の気筒が６行程にて運転される場合がある。別の例として、気筒の一部が1サイクル毎に４行程及び/又は6以上の行程で運転される一方で、別の気筒が休止される(すなわち、燃焼を行わない)場合がある。さらに、エンジンの気筒の一つ又はそれ以上が、車両の運転状態に基づいて、４行程、６行程、或いはそれより大きい数の行程での運転の間を移行すべく制御される場合がある。ここに記述されるように、運転状態は、点火タイミング、吸気バルブ・タイミング及び排気バルブ・タイミング、ターボ等による過給状態、温度や圧力のような外気状態、トルク又は速度のようなエンジンの目標出力、気筒運転態様、燃料種別、燃料蒸気のパージ状態、触媒状態、選択された運転モード、及びその他を含み得る。

或る条件下において、エンジンの気筒の一つ又はそれ以上の６行程サイクルでの運転が、トルク・インバランスの発生する可能性を高め得る。図3のA、Bが、4気筒エンジンの一例のタイムチャートを示す。図3Aは、各気筒が６行程サイクルを実行して動作する４気筒エンジンを示し、図3Bは、気筒の一部が４行程サイクルで燃焼し、他の気筒が６行程サイクルで燃焼する4気筒エンジンを示す。図3A、Bにて示されるタイムチャートの水平軸は、連続する行程を示し、一方、垂直軸はエンジンの気筒を示す。具体的には、タイムチャートの下部には直列型4気筒エンジンの気筒1〜4の状態が示され、上部はエンジンの全気筒の合算したトルクが示される。タイムチャートの中には吸気行程(I)、圧縮行程(C)、爆発行程(P)、及び、排気行程(E)が示される。さらに、爆発行程及び排気行程のような一部の行程は、各々そのサイクルの第一と第二爆発行程に対応する「P1」又は「P2」のような番号を含む。ピストンの運動方向もまた、対応する行程の符号の下に示される。下向きの矢印が、ピストンがその行程の間に気筒の上端から遠ざかって移動していることを示し、一方で、上向きの矢印が、ピストンがその行程の間に気筒の上端に向かって移動していることを示す。

この例において、四つの気筒の各々は、約180°のクランク角だけ互いに位相がずれている。したがって、図3Aに示される６行程サイクルの間、気筒1が吸気行程を実行しているときに、気筒3は排気行程を実行し、気筒4は爆発行程を実行し、そして気筒2は排気行程を実行する。タイムチャートの上部に示される合算されたトルクは、幾つかの行程中のトルク増大によって表わされるように、トルク・インバランス、即ちエンジンの回転中のトルクの不均衡がどのようにして発生しているかを示す。そのようなトルクの増大は、同じ行程内で生じる二つ以上の爆発行程の加重によってもたらされる場合がある。例えば、図3Aにおいて、気筒1と気筒4の両方が同時に爆発行程になるとき、更にまた、気筒3と気筒2が同時に爆発行程になるときに、エンジントルクが増大する。

図3Bは、エンジンによって生成されて合算されたトルクが、各々の気筒によって使用される多行程モードに応じて、どのようにして変動し得るかを表すタイムチャートの別の例を示す。例えば、気筒1及び4が４行程サイクルにて運転するのが示される一方で、気筒2及び3が６行程サイクルにて運転するのが示され、それは、図3Aによって示されるようにそこにおいて気筒の全てが６行程サイクルにて運転するものと対比関係にある。このように、図3のA、Bは、エンジンの各気筒のサイクル毎に実行される行程の数を変えることによって、エンジントルクの不均衡をもたらし得るトルク変動が、どのようにして増減され得るかを示す。

或る条件下において、エンジンの運転状態の一つ又はそれ以上を調整することによってトルク・インバランスは低減又は除去され得る。図4は、エンジンの気筒の少なくとも一つにおいて、1サイクル中に二又はそれ以上の燃焼が行われるように(例えば６行程)運転されるとき、トルク・インバランスを低減するために実行され得るルーチンの限定しない例を示す。ステップ410において、制御装置は、気筒運転態様のみならず、現在の及び/又は予測された将来の運転状態を求め得る（即ち、検出又は推定し得る）。この例における気筒の運転態様は、４行程、６行程、及び６より大きい行程を使用するエンジン気筒の数、実行される行程の数に関する各々の気筒の位置、実行される行程の数に関する各々の気筒の点火順序、エンジンの気筒の合計数、及び休止される気筒の数のような情報に対応し、そして、選択された運転モードに基づき得る。ステップ412において、トルク・インバランスが検出されているか否か、及び/又は、気筒の一つ又はそれ以上が６行程サイクルにて運転しているか或いは６行程サイクルに移行されようとしているかが判断され得る。

例の一つとして、制御装置は、求められた運転状態及び/又は気筒運転態様に基づいてトルク・インバランスを予測し得る。例えば、気筒の運転態様に基づいて、６行程サイクル運転、４行程サイクル運転、及び/又は、気筒休止の特定の組み合わせにおいてトルク・インバランスが発生し得ることが予測される場合があり、その場合はそれらの組み合わせが回避されるか、或いはその頻度が低減され得る。６行程サイクル運転の組み合わせのいくつかは、図5乃至図13を参照して後述される。

別の例として、トルク・インバランスは、クランクシャフトのねじり加速度、センサーを備えたアクティブ・エンジン・マウント、トルク・センサー、振動センサー、騒音センサー、加速度センサー、燃焼センサー、及び、トルク・インバランスの指標を提供するためにエンジンの制御装置に通信可能に連結された好適なセンサーの一つ又はそれ以上によって、検出され得る。さらに、トルク・インバランスは、車両の変速機又はドライブ・トレインにて検出される振動レベルのような運転状態に基づいて、検出又は予測され得る。

ステップ412においてＮＯであれば、ルーチンはステップ410に戻る一方、ＹＥＳであれば、ステップ414においてトルク・インバランスを低減するために、エンジンの気筒の一つ又はそれ以上に供給される吸気の量が、例えば対応する気筒の吸気及び/又は排気バルブ・タイミングを変更することによって、変化され得る。例の一つとして、気筒の全てが６行程サイクルにて運転されているならば、トルク・インバランスを低減するために、一つの、一部の、或いは全ての気筒に供給される吸気の量が増加及び/又は減少され得る。別の例として、エンジン気筒の一部が６行程サイクルにて運転され、他の気筒が４行程サイクルにて運転されているか、又は休止されているならば、６行程及び４行程サイクルにて運転されている気筒に供給される吸気の量がそれぞれ異なう分量、変更され得る。

ステップ414における吸気量の減少に代えて、或いはそれに加えて、ステップ416においてトルク・インバランスを低減するために、一つ又はそれ以上の気筒内に噴射される燃料の量を変更することもできる。例の一つとして、トルク・インバランスを低減するため、６行程サイクルで運転している一つ又はそれ以上の気筒内に噴射される燃料の量が、増加/減少され、及び/又は、４行程サイクルにて運転している一つ又はそれ以上の気筒内に噴射される燃料が増加/減少され得る。

ステップ414及び/又はステップ416において実行される処理に代えて、或いは、それに加えて、トルク・インバランスを低減するため、ステップ418において、一つ又はそれ以上の気筒の点火タイミングが調整され得る。例えば、気筒によって生成されるトルクのレベルが、混合気の点火を遅角させることにより低減され得る。

ステップ414、ステップ416及び/又はステップ418において実行される処理に代えて、或いはそれに加えて、トルク・インバランスを低減するため、ステップ420において、６行程サイクルを実行する気筒の数又は気筒の態様が調整され得る。例えば、４行程サイクルにて運転している気筒の一つ又はそれ以上が６行程サイクルに移行される場合があり、また逆も同様にあり得る。別の例として、4及び６行程サイクルで実行する気筒の数を同じ数に維持している間、トルク・インバランスが低減される場合がある。例えば、第一気筒が６行程サイクルから４行程サイクルに移行される一方で、第二気筒が４行程サイクルから６行程サイクルに移行される場合がある。このようにして、ステップ414乃至ステップ420を参照して上述した処理の一つ又はそれ以上は、トルク・インバランスを低減するために実行され得る。最後に、ルーチンはステップ410に戻り得る。

実施形態の一例として、図8及び図11に示されるような実質的に同等なトルク脈動を維持することによりトルク・インバランスを低減するため、エンジンが三つの気筒又は六つの気筒を６行程サイクルにて運転し、一方で、残りの気筒が休止される場合がある。別の例として、燃料消費量、NVH(ノイズ、振動そしてハーシュネス)、及び/又は排出物レベルとの所望の組み合わせを達成するため、６行程サイクル気筒と４行程サイクル気筒の組み合わせが使用される場合がある。例えば、気筒の第一バンクは４行程サイクル態様で動作する一方で、気筒の第二バンクは６行程サイクル態様で動作する場合がある。さらに、一つ又はそれ以上の気筒の休止が、６行程及び/又は４行程サイクルの気筒の組み合わせに加えて使用される場合がある。

４行程及び６行程サイクルの気筒の組み合わせは、EVA（electric valve actuator）を備えるエンジンに関して、個々の気筒ベース又は個々のバンクベースで吸気バルブ・タイミング及び/又は排気バルブ・タイミングを調整することにより達成され得る。カム駆動を使用するエンジンの場合は、カム位相を変化させ得るか、又は４又は６行程での運転のための所望のバルブ・タイミングを提供するために、選択的なバルブ休止を使用し得る。

図4を参照して説明された上述の例は、そこにおいてエンジンの気筒の少なくとも一つが６行程サイクルにて運転している状態の間にて、吸気及び/又は燃料噴射を変化させることによってどのようにトルク・インバランスが低減され得るかを示すが、トルク・インバランスの低減を達成するために、他の運転状態が調整され得ることは理解されるべきである。

エンジントルクに対する６行程での運転の影響を調査すべく、６行程及びHCCI機能を備えた気筒毎(cylinder-by-cylinder)の吸気VVTA(intake variable valve actuator: iVVTA)のSimlink（登録商標）によるシミュレーションが行なわれた。このシミュレーションを実行する際、排気バルブは、ピストン位置の下死点前(BBDC)60°、即ち、180-60°クランク角(CA)において開かれ、上死点前(BTDC) 60°、即ち、360-60°CAにおいて閉じられた。吸気バルブは、上死点後(ATDC) 60°、即ち、360+60°CAにおいて開かれ、下死点(BDC)、即ち、540°CAにおいて閉じられた。これは、720+10°CAでの第一燃焼におけるHCCI燃焼のために負のバルブ・オーバーラップを提供した。吸気及び排気バルブは、720°CAと1080°CAとの間で開かれた。結果として生じた、クランク角の関数としての気筒のトルク、圧力、及び温度の出力記録が、図5乃至図7に示される。

具体的には、図5は、(720+10°CAにおける)第一燃焼でリーンHCCI燃焼を伴い、そして、(1080+10°CAにおける)第二燃焼でストイキ燃焼を伴う、iVVTA装置を有する６行程気筒についての燃焼トルクを示す。図6は、第一燃焼(720+10°CA)でリーンHCCI燃焼を伴い、第二燃焼(1080+10°CA)でストイキ燃焼を伴う、iVVTA装置を備えた６行程気筒の圧力を示す（縦軸は1バール（10000パスカル）で表わす）。図7は、第一燃焼(720+10°CA)でリーンHCCI燃焼を伴い、第二燃焼(1080+10°CA)でストイキ燃焼を伴う、iVVTA装置を備えた６行程気筒の温度状態を示す（縦軸は、華氏で表わす）。

第二HCCI燃焼の近くで圧力、温度、及びトルクは、第一燃焼よりも大きな圧縮及び燃焼温度、圧力、及び、振動的なトルク変動の最大振幅を示す。これらの要素の増大は、900°と1080°CAの間の圧縮行程の開始時点における、高い気筒温度の結果であろう(図7を参照のこと)。900°の高い気筒温度はまた、第二燃焼の間、より高い圧縮及び燃焼圧力、及び、より大きなトルクの最大振幅をもたらし得る。900°CA付近において吸気及び/又は排気バルブを開くことによって、気筒ガス温度を低減し、そして、６行程サイクルの間に二つの燃焼によって生成されるトルクを均等にすることが可能となり得る。

図8乃至図13において、上述の吸気及び排気バルブ・タイミングによって６行程サイクルを行う3乃至8気筒エンジンの燃焼トルクが示される。具体的には、図8は、６行程HCCIモードで動作する三つのiVVTA気筒の燃焼トルクを示す。図9は、６行程HCCIモードで動作する四つのiVVTA気筒の燃焼トルクを示す。図10は、６行程HCCIモードで動作する五つのiVVTA気筒の燃焼トルクを示す。図11は、６行程HCCIモードで動作する六つのiVVTA気筒の燃焼トルクを示す。図12は、６行程HCCIモードで動作する七つのiVVTA気筒の燃焼トルクを示す。図13は、６行程HCCIモードで動作する八つのiVVTA気筒の燃焼トルクを示す。このように、これらの図は、エンジンにより生成される総トルクが、６行程運転を実行する気筒の数を増減することによって調整され得る変動を、どのように含み得るかを示す。さらに、図14は、６行程HCCIモードで動作するiVVTA装置を備えたエンジンのシミュレーションのセットアップ例を示す。

上記したように、６行程サイクルは、1080°CAサイクル内に360°CAの間隔を開けて気筒毎に二つのトルク振動が生じることによって、４行程サイクルでの720°サイクル毎の単一のトルク振動に対してトルク・インバランスを招き、或いは、トルク特性が複雑になり得る。４行程サイクルの場合、クランク角度（CA degree）に関する点火速度は720/Ncylに等しく、ここでNcylは点火する気筒の数である。そして、６行程サイクルの場合、クランク角度に関する点火速度は(1.5*720/fcyc)/Ncylであり、ここでfcycは気筒あたりの燃焼の回数である。したがって、同数の気筒の点火に関して、６行程サイクルのエンジンは、４行程サイクルのエンジンに比べて33%速い燃焼速度を有する。しかしながら、６行程サイクルの中ではトルクの振動が均等に分配されず、それは、トルク・インバランスをもたらし、そして、６行程サイクル気筒の点火数及び位相に応じて、同じ数の４行程サイクルの気筒よりも低い周波数域の振動を有するトルク特性をもたらし得る。

図8及び図11に示されるように、三つ及び六つの気筒トルク振動周期は、同じ数の気筒を持った４行程サイクルのエンジンでは240°CA及び120°CAであるのに対して、それぞれ360°CA及び180°CAごとに一つのトルク振動となる。三の因数を伴わないNcyl値を持つ場合、トルク振動の周波数は高くなるが、気筒数が増加すると(例えば図13における8気筒の事例を参酌のこと)、二つの正トルク振動が単一の正トルク振動に収束するようになる。

そのため、シミュレーション例によって示されるように、NVHが課題である場合は、NVH及び/又は排出物を低減しつつ、全体として低い燃料消費を達成するために、６行程サイクル気筒と４行程サイクルの気筒とを組み合わせるのが望ましい場合がある。

ここに含まれる制御及び判断ルーチンの例は、様々なエンジン及び/又は車両システム構成と共に使用される場合があることを記しておく。ここに記述された具体的なルーチンは、イベント・ドリブン、インターラプト・ドリブン、マルチ・タスキング、マルチ・スレッディングなどの、一つ又はそれ以上の処理ロジックを表し得る。記載された各種ステップ、処理、又は機能はそのようなものとして、記載された順番で又は並列に実行することも、若しくは場合によっては省略することも出来る。同様に、記載された処理の順番は、ここに記載された実施形態の例の特徴及び効果を得るためには必ずしも必要とされないが、図示及び記載を容易にするために提供されている。図示されたステップや機能の少なくとも一つは、使用される具体的なロジックによっては、反復して実行される場合がある。更に、記載されたステップは、エンジン制御装置内のコンピューター読取可能記憶媒体の中にプログラムされるべきコードを視覚的に表わすものであり得る。

ここに記載された構成及びルーチンが、本質的に例示に過ぎず、多数の変形例が可能であるため、これらの具体的な実施形態が本発明を限定する意味で考慮されるべきでないことは理解できるであろう。例えば、上述の方法は、V型6気筒エンジン、直列4気筒エンジン、直列6気筒エンジン、V型12気筒エンジン、対向4気筒エンジン、及びその他のエンジン形式に適用され得る。本明細書の主題は、ここに記載された種々の装置及び構成そして、他の特徴、機能及び/又は属性の、全ての新規で非自明の組み合わせ及び一部組み合わせを含む。

特許請求の範囲は、新規で非自明と見なされる特定の組み合わせ及び一部組み合わせを具体的に示す。これらの特許請求の範囲は、「一つの」構成要素、又は「第一の」構成要素、又は、それらの同義語に言及し得る。そのような特許請求の範囲は、その構成要素が一つ又はそれ以上あるものを含み、その構成要素が二つ以上あるものを要求もしなければ、除外もしないと理解されるべきである。開示されている特徴、機能、構成要素及び/又は属性の他の組み合わせ及び一部組み合わせが、本件特許請求の範囲の補正又は本出願又は関連出願の新しい請求の範囲の提供によって、請求され得る。最初の特許請求の範囲の権利範囲より広い特許請求の範囲、狭い特許請求の範囲、同じ特許請求の範囲、又は異なる特許請求の範囲であろうと、そのような特許請求の範囲もまた、本明細書の主題に含まれると見なされる。

エンジンの例を示す概略図である。４行程サイクルと６行程サイクルの運転モードの間でエンジンの気筒を制御する方法例を表すフローチャートである。全気筒、または、気筒の一部が６行程サイクルで動作する４気筒エンジンに関するタイムチャートである。全気筒、または、気筒の一部が６行程サイクルで動作する４気筒エンジンに関するタイムチャートである。６行程サイクルで動作する少なくとも一つの気筒を有するエンジンにおける振動を低減する方法例を表すフローチャートである。本発明のエンジンのシミュレーション結果を表わすグラフである。同シミュレーション結果を表わすグラフである。同シミュレーション結果を表わすグラフである。同シミュレーション結果を表わすグラフである。同シミュレーション結果を表わすグラフである。同シミュレーション結果を表わすグラフである。同シミュレーション結果を表わすグラフである。同シミュレーション結果を表わすグラフである。同シミュレーション結果を表わすグラフである。同シミュレーション装置のセットアップ例を示す概略図である。

符号の説明

10：エンジン
12：制御器
30：燃焼室(気筒)
51：バルブ・タイミング・アクチュエーター(VVTA)
52：吸気バルブ
53：バルブ・タイミング・アクチュエーター(VVTA)
54：排気バルブ
66：燃料噴射弁
216：第一燃料噴射工程
218：第一燃焼工程(第一爆発工程、自己着火工程)
222：第二燃料噴射工程
224：第二燃焼工程(第二爆発工程)
226：第二排気工程

Claims

吸気バルブと排気バルブとを備えた少なくとも一つの気筒を有するエンジンの運転方法であって、
上記気筒内に第一の量の燃料を噴射する工程と、
空気と上記第一の量の燃料との混合気である第一混合気を圧縮して自己着火させる工程と、
上記第一混合気の着火後に、上記気筒内に第二の量の燃料を噴射する工程と、
上記第二の量の燃料と上記第一混合気の自己着火後のガスとの混合気である第二混合気を燃焼させる工程と、
上記第一混合気の自己着火から上記第二混合気の燃焼までの間、上記気筒の吸気バルブを閉状態に保持する工程と、
上記燃焼した第二混合気を排気する工程と、
を備える方法。
上記第二混合気は実質的に均質な混合気であり、
上記第二混合気を燃焼する工程は、該第二混合気を圧縮して自己着火させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
上記第一混合気は、空気と上記第一の量の燃料との均質混合気を含む、請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
上記第二混合気を燃焼する工程は、上記気筒の点火装置によって上記第二混合気に点火する工程を含む、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。
上記第二混合気を燃焼する工程は、上記第一混合気の自己着火の一行程後に実行される、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の方法。
上記第二混合気に含まれる酸素の量が上記第一混合気よりも少ない、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の方法。
上記気筒が６行程サイクルにて運転される、請求項１乃至６のいずれか一つに記載の方法。
上記燃焼した第二混合気を排気した後に、気筒内に第三の量の燃料を噴射する工程と、
空気と上記第三の量の燃料との混合気である第三混合気の自己着火のタイミングを調整するために、上記第二混合気の燃焼後の排気タイミングを変更する工程と、
を備える請求項１乃至７のいずれか一つに記載の方法。
上記気筒の点火装置によって第二混合気に点火する工程と、
上記第三混合気の自己着火のタイミングを調整するために、上記点火装置による上記点火のタイミングを調整する工程と、
をさらに備える請求項８に記載の方法。
上記第二混合気の燃焼によるガスが、上記気筒の排気通路内に配置された三元触媒によって処理される、請求項１乃至９のいずれか一つに記載の方法。
上記第二混合気を燃焼する前に、上記第一混合気の自己着火後のガスの一部を排気する工程、を更に備え、
上記第一混合気の自己着火後のガスの一部を排気するタイミングを変更して、上記第二混合気の燃焼のタイミングを変化させる、
請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の方法。
上記エンジンは、少なくとも二つの気筒を有し、
少なくとも一つの気筒が６行程サイクルにて運転される一方、別の少なくとも一つの気筒が４行程サイクルで運転される、請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の方法。
少なくとも一つの気筒を有するエンジンの運転方法であって、
第一及び第二の燃焼を含む、４よりも大きな行程数のサイクルにて気筒を運転する工程と、
上記サイクルにおける第一燃焼の後に、第一の量のガスを気筒から排気する工程と、
上記サイクルにおける第二燃焼の後に、第二の量のガスを上記気筒から排気する工程と、を備え、
上記第一の量のガスが、上記第二の量のガスよりも少なく、
上記第一の量のガスに含まれる酸素の濃度が、上記第二の量のガスよりも高い、
方法。
上記第一の量のガスを排気する工程は、上記サイクルの第一時間において上記気筒の排気バルブを一時的に開く工程を含み、
上記第二の量のガスを排気する工程は、上記サイクルの第二時間において上記排気バルブを開く工程を含み、
第二燃焼が開始される時間を変化させるように、上記排気バルブを開く上記第一時間を変更する工程をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
上記第一の量のガスの空燃比が３０：１よりも高く、
上記第二の量のガスの空燃比は、上記第一の量のガスよりも低い、請求項１３又は１４のいずれかに記載の方法。
少なくとも一つの気筒を含むエンジンの運転方法であって、
酸素を含むガスが気筒内に入ることを可能にする工程と、
上記気筒内に第一の量の燃料を噴射する工程と、
上記第一の量の燃料と上記ガスとの混合気である第一混合気を圧縮することによって、実質的に均質な上記第一混合気を燃焼させる工程と、
上記気筒内に第二の量の燃料を噴射する工程と、
上記第二の量の燃料と少なくとも上記ガスの一部との混合気である第二混合気を圧縮することによって、実質的に均質な上記第二混合気を燃焼させる工程と、を備え、
上記第一混合気が、上記第二混合気よりも過剰な酸素を含む、
方法。
上記気筒は吸気バルブを備え、
上記酸素を含むガスが上記気筒内に入ることを可能にするように、上記吸気バルブを開く工程と、
その後、少なくとも上記第一混合気の燃焼と上記第二混合気の燃焼との間の期間、上記吸気バルブを閉じる工程と、
をさらに備える請求項１６に記載の方法。
上記気筒は排気バルブを備え、
上記第二混合気の燃焼タイミングを変化させるために、該第一混合気の燃焼と上記第二混合気の燃焼との間で上記排気バルブを開いて、その後に閉じる工程をさらに備える、請求項１６又は１７のいずれかに記載の方法。
上記エンジンは、少なくとも二つの気筒を有し、
エンジンの運転状態に基づいて、単一の爆発行程を含む４行程サイクルと、二つの爆発行程を含む６行程サイクルとの間で、少なくとも一つの気筒の運転態様を変更する工程をさらに備える、請求項１６乃至１８のいずれか一つに記載の方法。
上記運転状態は、ユーザーによって選択された運転モード、上記エンジンに連結された変速機の状態、及び上記エンジンの運転に起因する振動のレベルのうち、少なくとも一つを含む、請求項１９に記載の方法。