JP2008121593A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧縮着火燃焼モードから火花点火燃焼モードへの切り替えを適切なタイミングで行うことにより、圧縮着火燃焼モード中の失火やノッキングを確実に防止することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】圧縮着火燃焼モードと火花点火燃焼モードに燃焼モードを切り替えて運転される内燃機関3の制御装置1であって、圧縮着火燃焼モード中、燃焼室3e内の作動ガスの温度の目標となる目標作動ガス温度TCYLGASを設定する目標作動ガス温度設定手段2と、圧縮着火燃焼モード中、燃焼室3e内の作動ガスの温度が目標作動ガス温度TCYLGASになるように、内部EGR量の目標となる目標内部EGR量INEGRCMDを設定する目標内部EGR量設定手段2と、目標内部EGR量INEGRCMDに応じて、燃焼モードを火花点火燃焼モードに切り替える燃焼モード切替手段2と、を備える。
【選択図】図12

Description

本発明は、燃焼室に供給された混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮着火燃焼モードと、火花点火により燃焼させる火花点火燃焼モードに、燃焼モードを切り替えて運転される内燃機関の制御装置に関する。
従来のこの種の内燃機関の制御装置として、例えば特許文献1に開示されたものが知られている。この制御装置では、内燃機関の回転数および要求トルクに基づいて内燃機関の運転状態を判定するとともに、判定した運転状態が低〜中負荷運転のときに、圧縮着火燃焼モードによる燃焼を実行する一方、他の運転状態のときには、火花点火燃焼モードによる燃焼を実行する。
圧縮着火燃焼における圧縮着火のタイミングは、圧縮行程の開始時に燃焼室内に存在する混合気およびEGRガスを含む作動ガスの温度が高いほど、より早くなる。これに対して、従来の制御装置では、内燃機関が低〜中負荷運転状態にある限り、圧縮着火燃焼モードが選択されるため、圧縮着火燃焼モード中、作動ガスの温度が低すぎる場合には、圧縮着火のタイミングが遅くなることで、燃焼状態が不安定になり、失火するおそれがある。これとは逆に、作動ガスの温度が高すぎる場合には、早期着火しやすくなり、ノッキングが発生するおそれがある。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、圧縮着火燃焼モードから火花点火燃焼モードへの切り替えを適切なタイミングで行うことによって、圧縮着火燃焼モード中の失火やノッキングを確実に防止することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
特開2000−257467号公報
上記の目的を達成するため、請求項1に係る発明は、燃焼室3eに供給された混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮着火燃焼モードと、火花点火により燃焼させる火花点火燃焼モードに、燃焼モードを切り替えて運転される内燃機関3の制御装置1であって、燃焼室3eに既燃ガスを残留させる内部EGR量を制御する内部EGR制御手段(実施形態における(以下、本項において同じ)排気側動弁機構40、ECU2)と、圧縮着火燃焼モードにおいて、燃焼室3e内の作動ガスの温度の目標となる目標作動ガス温度TCYLGASを設定する目標作動ガス温度設定手段(ECU2、ステップ13)と、圧縮着火燃焼モードにおいて、燃焼室3e内の作動ガスの温度が目標作動ガス温度TCYLGASになるように、内部EGR量の目標となる目標内部EGR量EGRINCMDを設定する目標内部EGR量設定手段(ECU2、ステップ16)と、目標内部EGR量EGRINCMDに応じて、燃焼モードを火花点火燃焼モードに切り替える燃焼モード切替手段(ECU2、ステップ31〜37)と、を備えることを特徴とする。
この内燃機関は、燃焼モードを、圧縮着火燃焼モードと火花点火燃焼モードに切り替えて運転される。また、燃焼室に既燃ガスを残留させる内部EGR量が内部EGR制御手段によって制御され、この内部EGR量に応じて、圧縮行程の開始時に燃焼室内に存在する混合気およびEGRガスを含む作動ガス(以下、単に「作動ガス」という)の温度が変化する。圧縮着火燃焼モードにおいては、目標作動ガス温度が設定され、燃焼室内の作動ガスの温度がこの目標作動ガス温度になるように、目標内部EGR量が設定される。そして、この目標内部EGR量に応じて、燃焼モードが火花点火燃焼モードに切り替えられる。
以上のように、本発明によれば、圧縮着火燃焼モード中、燃焼室内の作動ガスの温度が目標作動ガス温度になるように目標内部EGR量が設定されるため、この目標内部EGR量は、目標作動ガス温度に対する実際の作動ガスの温度の高低とその隔たりの度合いを表す。例えば、設定された目標内部EGR量が過大な場合には、目標作動ガス温度に対して、実際の作動ガスの温度が低すぎることで、圧縮着火のタイミングが遅くなり、燃焼状態が不安定になるおそれがあるとして、燃焼モードを火花点火燃焼モードに切り替えることによって、圧縮着火燃焼モードを継続したときの失火を防止でき、燃焼を確実に行うことができる。
一方、目標内部EGR量が過小な場合には、目標作動ガス温度に対して、実際の作動ガスの温度が高すぎることで、早期着火しやすくなり、やはり燃焼状態が不安定になるとして、燃焼モードを火花点火燃焼モードに切り替えることによって、圧縮着火燃焼モードを継続したときのノッキングを防止できる。以上のように、目標内部EGR量に応じて、火花点火燃焼モードへの切り替えを適切なタイミングで行うことができ、それにより、圧縮着火燃焼モード中の失火やノッキングを確実に防止することができる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の内燃機関3の制御装置1において、燃焼室3eから排出された排ガスを吸気系(吸気管12)に還流させる外部EGR量を制御する外部EGR制御手段(排気還流機構15、ECU2)と、内燃機関3の運転状態(エンジン回転数NE、要求トルクPMCMD)を検出する運転状態検出手段(クランク角センサ21、アクセル開度センサ29、ECU2)と、検出された運転状態に応じて、内部EGR量と外部EGR量の和である総EGR量の目標となる目標総EGR量EGRTCMDを設定する目標総EGR量設定手段(ECU2、ステップ23)と、をさらに備え、燃焼モード切替手段は、目標内部EGR量EGRINCMDが、負の値のとき、または目標総EGR量EGRTCMDよりも多いときに、燃焼モードを火花点火燃焼モードに切り替えることを特徴とする。
この構成によれば、圧縮着火燃焼モード中、設定された目標内部EGR量が負の値のときに、燃焼モードが火花点火燃焼モードに切り替えられる。目標内部EGR量が負の値のときには、目標作動ガス温度よりも実際の作動ガスの温度が高く、作動ガスの温度がすでに高すぎる状態にあることによって、早期着火しやすくなる。このため、燃焼モードを火花点火燃焼モードに切り替えることで、圧縮着火燃焼モードを継続したときのノッキングを確実に防止することができる。
また、本発明では、排ガスを吸気系に還流させることによって、外部EGR量が制御される。また、この外部EGR量と内部EGR量の和に対する目標総EGR量が、検出された内燃機関の運転状態に応じて設定され、圧縮着火燃焼モード中、目標内部EGR量が目標総EGR量よりも多いときに、燃焼モードが火花点火燃焼モードに切り替えられる。目標内部EGR量が目標総EGR量よりも多いときには、設定された目標内部EGR量をそのまま用いると、内部EGR量が過剰になるのに応じて、その分、燃焼室に供給される新気の量が不足することによって、燃焼状態が不安定になる。このため、そのような場合、火花点火燃焼モードに切り替えることによって、圧縮着火燃焼モードを継続したときの失火を確実に防止することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態による制御装置1、およびこれを適用した内燃機関(以下「エンジン」という)3の概略構成を示している。エンジン3は、4つの気筒3a(1つのみ図示)を有する直列4気筒のガソリンエンジンであり、車両(図示せず)に搭載されている。各気筒3aのピストン3bとシリンダヘッド3cとの間には、燃焼室3eが形成されている。
エンジン3は、気筒3aごとに設けられた一対の吸気弁4,4および一対の排気弁7,7(ともに1つのみ図示)と、吸気側の吸気カムシャフト5と、吸気カムシャフト5に一体に設けられた吸気カム6と、排気側の排気カムシャフト8と、排気カムシャフト8に一体に設けられた排気カム9と、燃料噴射弁10(図2参照)と、点火プラグ11(図2参照)と、排気側動弁機構40(内部EGR制御手段)などを備えている。
エンジン3のクランクシャフト3dには、クランク角センサ21が設けられている。クランク角センサ21(運転状態検出手段)は、クランクシャフト3dの回転に伴い、所定のクランク角(例えば1°)ごとに、パルス信号であるCRK信号をECU2に出力する。ECU2は、このCRK信号に基づき、エンジン3の回転数(以下「エンジン回転数」という)NEを求める。
吸気カムシャフト5および排気カムシャフト8はそれぞれ、ホルダ(図示せず)を介して、シリンダヘッド3cに回動自在に支持され、気筒3aの配列方向に沿って延びている。この吸気カムシャフト5は、タイミングチェーン(図示せず)を介してクランクシャフト3dに連結されている。この構成により、吸気カムシャフト5は、クランクシャフト3dが2回転するごとに1回転し、それに伴う吸気カム6の回転によって、吸気弁4が開閉駆動される。
同様に、排気カムシャフト8は、タイミングチェーン(図示せず)を介してクランクシャフト3dに連結されており、クランクシャフト3dが2回転するごとに1回転し、それに伴う排気カム9の回転によって、排気弁7が開閉駆動される。
一方、燃料噴射弁10は、気筒3aごとに設けられ、燃料を気筒3a内に直接、噴射するようにシリンダヘッド3cに取り付けられている。燃料噴射弁10の開弁時間および開弁タイミングは、ECU2からの駆動信号によって制御され、それにより、燃料噴射量および噴射タイミングが制御される。
また、点火プラグ11も、気筒3aごとに設けられ、シリンダヘッド3cに取り付けられている。点火プラグ11の放電状態は、ECU2により、点火時期に応じたタイミングで燃焼室3e内の混合気を燃焼させるように制御される。また、このエンジン3では、燃焼室3e内に供給された混合気を、点火プラグ11の火花により点火する火花点火燃焼(以下「SI燃焼」という)と、圧縮着火により着火する圧縮着火燃焼(以下「CI燃焼」という)が行われ、その切り替えはECU2によって制御される。
エンジン3本体には、水温センサ22が設けられている。水温センサ22は、エンジン3のシリンダブロック(図示せず)内を循環する冷却水の温度であるエンジン水温TWを表す検出信号を、ECU2に出力する。
エンジン3の吸気管12(吸気系)には、吸気温センサ23および吸気管内圧センサ24が設けられている。吸気温センサ23は、吸気管12内を流れる空気の温度(以下「吸気温」という)TAを表す検出信号を、吸気管内圧センサ24は、吸気管12内の圧力(以下「吸気管内圧」という)PBAを表す検出信号を、それぞれECU2に出力する(図2参照)。
一方、エンジン3の排気管14には、排気温センサ25が設けられている。排気温センサ25は、排気管14内を流れる排ガスの温度(以下「排気温」という)TEXを表す検出信号をECU2に出力する。
また、エンジン3には、排気還流機構15(外部EGR制御手段)が設けられている。この排気還流機構15は、排気管14内の排ガスの一部を吸気管12側に還流させるものであり、吸気管12および排気管14の間に接続されたEGR管15aと、このEGR管15aを開閉するEGR制御弁15bなどで構成されている。
EGR制御弁15bは、リニア電磁弁で構成されており、ECU2からの後述するEGRリフト制御入力U_LIFTに応じて、そのリフト(以下「EGRリフト」という)が最大値と最小値との間でリニアに変化するように構成されており、それにより、EGR管15aの開度すなわち排気還流量(以下「外部EGR量」という)が制御される。
このEGR制御弁15bには、EGRリフトセンサ26が取り付けられており、EGRリフトセンサ26は、EGR制御弁15bの実際のEGRリフトを検出し、その検出信号をECU2に出力する。
さらに、排気側動弁機構40は、カム位相可変機構50およびリフト可変機構70で構成されている。
カム位相可変機構50は、クランクシャフト3dに対する排気カムシャフト8の相対的な位相(以下「排気カム位相」という)を所定の範囲内において無段階に変更するものであり、排気カムシャフト8の排気スプロケット側の端部に設けられている。図3に示すように、カム位相可変機構50は、ハウジング51、3枚羽根式のベーン52、油圧ポンプ53および電磁弁54などを備えている。
このハウジング51は、排気カムシャフト8の排気スプロケットと一体に構成されており、周方向に等間隔に形成された3つの隔壁51aを備えている。ベーン52は、排気カムシャフト8の排気スプロケット側の端部に同軸に取り付けられ、排気カムシャフト8から外方に放射状に延びるとともに、ハウジング51内に回転可能に収容されている。また、ハウジング51内には、隔壁51aとベーン52の間に、3つの進角室55および3つの遅角室56が形成されている。
油圧ポンプ53は、クランクシャフト3dに連結された機械式のものであり、クランクシャフト3dの回転に伴い、エンジン3のオイルパン3fに蓄えられた潤滑用のオイルを、油路57cを介して吸い込むとともに、これを昇圧した後、油路57cを介して電磁弁54に供給する。
電磁弁54は、スプール弁機構54aとソレノイド54bを組み合わせたものであり、進角油路57aおよび遅角油路57bを介して、進角室55および遅角室56にそれぞれ接続されていて、油圧ポンプ53から供給された油圧Poilを制御し、進角油圧Padおよび遅角油圧Prtとして、進角室55および遅角室56にそれぞれ供給する。電磁弁54のソレノイド54bは、ECU2からの後述する位相制御入力U_CAEXにより、スプール弁機構54aのスプール弁体を所定の範囲内で移動させることによって、進角油圧Padおよび遅角油圧Prtを変化させる。
以上の構成のカム位相可変機構50では、油圧ポンプ53の作動中、電磁弁54が位相制御入力U_CAEXに応じて動作することにより、進角油圧Padが進角室55に、遅角油圧Prtが遅角室56にそれぞれ供給され、それにより、ベーン52とハウジング51との間の相対的な位相が進角側または遅角側に変更される。その結果、前述した排気カム位相が、所定の最遅角値と所定の最進角値との間で連続的に変化し、それにより、排気弁7のバルブタイミングは、図4に実線で示す最遅角タイミングと、2点鎖線で示す最進角タイミングとの間で無段階に変更される。
一方、排気カムシャフト8のカム位相可変機構50と反対側の端部には、カム角センサ27(図2参照)が設けられている。このカム角センサ27は、排気カムシャフト8の回転に伴い、パルス信号であるEXCAM信号を所定のカム角(例えば1゜)ごとにECU2に出力する。ECU2は、このEXCAM信号および前述したCRK信号に基づき、排気カム位相CAEXを算出する。
また、リフト可変機構70は、排気弁7のリフト(以下「排気リフト」という)を値0と所定の最大値との間で無段階に変更するためのものである。図5および図6に示すように、リフト可変機構70は、コントロールシャフト71およびロッカアームシャフト72と、これらのシャフト71,72に気筒3aごとに設けられた上下のロッカアーム74,75と、これらの上下のロッカアーム74,75を駆動するアクチュエータ80などを備えている。なお、本実施形態では、排気リフトは、排気弁7の最大揚程(リフト量)を表すものとする。
コントロールシャフト71は、回動軸部71a、ホルダ部71bおよび偏心軸部71cを一体に組み立てたものであり、排気カムシャフト8と平行に延び、シリンダヘッド3cに回動自在に支持されるとともに、その一端部がアクチュエータ80に連結されている。
上ロッカアーム74は、一対のリンク74a,74a、ローラ軸74b、ローラ74cおよび一対のコイルばね74d,74dを備えている。ローラ軸74bは、その両端部において、リンク74a,74aの一端部にそれぞれ回動自在に支持されている。また、ローラ74cは、このローラ軸74bに回動自在に設けられている。
また、各リンク74aの他端部は、コントロールシャフト71の偏心軸部71cに回動自在に支持されるとともに、コイルばね74dを介してホルダ部71bに連結されている。リンク74aでは、このコイルばね74dの付勢力により、ローラ74cが排気カム9のカム面に当接するとともに、ローラ74cが排気カム9のカム面のベース円部に当接しているときに、ローラ軸74bは回動軸部71aと同軸の原点位置(図5に示す位置)に保持される。
一方、下ロッカアーム75は、その一端部においてロッカアームシャフト72に回動自在に支持され、他端部にはアジャストボルト75a,75aが取り付けられている。アジャストボルト75aと排気弁7の間には、所定のタペットクリアランスが設けられている。
また、下ロッカアーム75は、上方に突出する一対の案内部75b,75bを備えている。各案内部75bは、その上面が上ロッカアーム74のローラ軸74bを案内する案内面75cになっており、この案内面75cを介してローラ軸74bに当接している。この案内面75cは、リンク74aが図5に実線で示す閉弁位置にあるときに偏心軸部71cと同心になるような、下方に凸の所定の円弧状に形成されている。また、案内部75bとローラ軸74bが互いに当接している状態では、ローラ74cは、案内部75b,75b間に位置するとともに、下ロッカアーム75に当接することなく、排気カム9のみに当接する。
一方、アクチュエータ80は、モータおよび減速ギヤ機構(いずれも図示せず)などを組み合わせたものであり、ECU2により駆動されることによって、コントロールシャフト71をその回動軸部71aを中心として回動させる。このコントロールシャフト71の回動に伴い、リンク74aもローラ軸74bを中心として回動する。
次に、以上のように構成されたリフト可変機構70の動作について説明する。このリフト可変機構70では、ECU2からの後述するリフト制御入力U_SAAEXにより、アクチュエータ80が駆動されると、コントロールシャフト71が回動する。その際、コントロールシャフト71の回動角SAAEXは所定範囲内に規制され、それにより、リンク74aの回動範囲も、例えばローラ軸74bが前述した原点位置にある場合、図5に実線で示すゼロリフト位置と2点鎖線で示す最大リフト位置との間に規制される。
このようにリンク74aがゼロリフト位置にある場合、排気カム9が回転し、そのカムノーズによりローラ74cがロッカアームシャフト72側に押されると、リンク74aは偏心軸部71cを中心として、図5の時計回りに回動する。その際、前述したように、下ロッカアーム75の案内面75cが偏心軸部71cを中心とする円弧と一致するような形状を有しているので、下ロッカアーム75は、図5に示す閉弁位置に保持される。それにより、排気リフトは値0に保持され、排気弁7は閉弁状態に保持される。
一方、リンク74aがゼロリフト位置から最大リフト位置側に回動した状態では、排気カム9の回転により、リンク74aが偏心軸部71cを中心として図5の時計回りに回動し、それに伴い、下ロッカアーム75は、図5に示す閉弁位置から下方に回動し、排気弁7を開放する。その際、下ロッカアーム75の回動量すなわち排気リフトは、リンク74aが最大リフト位置に近い位置にあるほど、より大きくなる。
以上のように、排気弁7は、リンク74aが最大リフト位置に近い位置にあるほど、より大きなリフトで開弁する。具体的には、排気カム9の回転中、排気弁7は、リンク74aが最大リフト位置にあるときには、図7に実線で示すバルブリフト曲線に従って開弁し、排気リフトは、最大値LEXMAXになる。したがって、このリフト可変機構70では、アクチュエータ80を介して、リンク74aをゼロリフト位置と最大リフト位置との間で回動させることにより、排気リフトを値0と所定の最大値LEXMAXとの間で無段階に変化させることができる。また、排気カム位相CAEXが同じ場合、排気リフトが大きいほど、排気弁7の開弁タイミングは早くなり、閉弁タイミングは遅くなる。
また、リフト可変機構70には、排気リフトを検出するためのリフトセンサ28が設けられている(図2参照)。このリフトセンサ28は、コントロールシャフト71の回動角SAAEXを検出し、それを表す検出信号をECU2に出力する。前述したように、排気リフトは、コントロールシャフト71の回動角SAAEXから一義的に定まるので、検出された回動角SAAEXは、実際の排気リフトを表す。
以上のように、このエンジン3では、排気側動弁機構40により、排気弁7のバルブタイミングおよびリフトを無段階に変更できるので、燃焼行程後に燃焼室3e内に残留する既燃ガスの量(以下「内部EGR量」という)を自在に変更できる。例えば、内部EGR量は、排気カム位相CAEXが最遅角位置にあり、かつ排気リフトが最大値LEXMAXのときに、値0になる。一方、排気カム位相CAEXが進角側にあるほど、排気弁7の閉弁タイミングが早くなることで、内部EGR量は大きくなり、また、排気リフトが小さいほど、既燃ガスの排出量が少なくなることで、内部EGR量は大きくなる。以上から明らかなように、本実施形態では、吸気弁4が開き始める前に排気弁7を閉じることで、高温の既燃ガスを燃焼室3e内に残留させ、内部EGRを得るものである。
また、ECU2には、アクセル開度センサ29(運転状態検出手段)から、アクセルペダル(図示せず)の操作量(以下「アクセル開度」という)APを表す検出信号が出力される。
ECU2は、I/Oインターフェース、CPU、RAMおよびROMなどから成るマイクロコンピュータで構成されている。ECU2は、前述した各種のセンサ21〜29からの検出信号に応じ、ROMに記憶された制御プログラムなどに従って、燃料噴射量を含むエンジン3の制御を実行する。また、ECU2は、エンジン3の運転状態に応じて、エンジン3の燃焼モードを、SI燃焼モードまたはCI燃焼モードに決定するとともに、決定した燃焼モードに応じて、内部EGR量および外部EGR量を制御する。また、CI燃焼モード中には、後述する目標内部EGR量EGRINCMDに応じて、燃焼モードをSI燃焼モードに切り替える。なお、本実施形態では、ECU2は、内部EGR制御手段、目標作動ガス温度設定手段、目標内部EGR量設定手段、燃焼モード切替手段、外部EGR制御手段、運転状態検出手段および目標総EGR量設定手段に相当する。
図8は、ECU2で実行される燃焼モードの決定処理を示すフローチャートである。本処理は、所定時間ごとに実行される。まず、ステップ1(「S1」と図示。以下同じ)では、エンジン水温TWが所定温度TWJUDよりも高いか否かを判別する。この判別結果がNOで、エンジン水温TWが所定温度TWJUD以下のときには、CI燃焼を行うのに適した燃焼室3e内の温度を確保できないとして、燃焼モードをSI燃焼モードに決定し、CI燃焼モードフラグF_HCCIを「0」にセットした(ステップ3)後、本処理を終了する。
一方、ステップ1の判別結果がYESのときには、エンジン3がCI燃焼を実行すべき運転領域(以下「HCCI領域」という)にあるか否かを判別する(ステップ2)。この判別は、図9に示す燃焼領域マップに基づき、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じて行われる。この燃焼領域マップのHCCI領域は、CI燃焼を実行すべき運転領域であり、エンジン回転数NEが低〜中回転域にあり、かつ要求トルクPMCMDが低〜中負荷域にある運転領域に相当する。なお、要求トルクPMCMDは、エンジン回転数NEおよびアクセル開度APに応じて算出される。
前記ステップ2の判別結果がNOで、エンジン3がHCCI領域にないときには、前記ステップ3を実行し、SI燃焼モードを選択する。一方、前記ステップ1および2の判別結果がいずれもYESで、エンジン水温TWが所定温度TWJUDよりも高く、かつエンジン3がHCCI領域にあるときには、燃焼モードをCI燃焼モードに決定し、CI燃焼モードフラグF_HCCIを「1」にセットした(ステップ4)後、本処理を終了する。
図10は、内部EGR量の制御処理を示すフローチャートである。本処理では、まずステップ11において、CI燃焼モードフラグF_HCCIが「1」であるか否かを判別する。この判別結果がNOで、燃焼モードがSI燃焼モードのときには、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じ、所定のマップ(図示せず)からSI燃焼時用のマップ値TCYLGASSを検索し、目標作動ガス温度TCYLGASとして設定する(ステップ12)。
一方、前記ステップ11の判別結果がYESで、燃焼モードがCI燃焼モードのときには、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じ、所定のマップ(図示せず)からCI燃焼時用のマップ値TCYLGASCを検索し、目標作動ガス温度TCYLGASとして設定する(ステップ13)。このマップでは、マップ値TCYLGASCは、圧縮行程の開始時における作動ガスの温度を圧縮着火に適した温度に制御するための値として設定されており、エンジン回転数NEが低いほど、および要求トルクPMCMDが小さいほど、より大きな値に設定されている。これは、エンジン回転数NEが低いほど、燃焼サイクル間の時間間隔が長いことで、圧縮着火がより生じにくく、また、要求トルクPMCMDが小さいほど、燃料噴射量が少ないことで、圧縮着火がより生じにくいので、圧縮着火を生じやすくするために作動ガスをより高い温度に上昇させることが必要なためである。
ステップ12または13に続くステップ14では、目標作動ガス温度TCYLGASおよび吸気管内圧PBAに応じ、所定のマップ(図示せず)を検索することによって、目標充填効率ETACを算出する。この目標充填効率ETACは、作動ガスの充填効率(燃焼室3eの容積と行程容積との和に対する作動ガスの充填量の比)の目標値である。
次に、次式(1)に従って、今回の燃焼ガス温度TEXGASを算出する(ステップ15)。
TEXGAS=TEXGAST*(1−TDTGAS)
+TEXGASZ*TDTGAS ・・・(1)
ここで、TEXGASTは、エンジン3の運転状態に応じて今回、算出された燃焼ガス温度であり、具体的には、燃焼モードがSI燃焼モードのときには、吸気温TAおよび要求トルクPMCMDに応じて算出され、CI燃焼モードのときには、目標作動ガス温度TCYLGASおよび要求トルクPMCMDに応じて算出される。また、TEXGASZは、式(1)で算出された燃焼ガス温度の前回値であり、TDTGASは値1.0未満のなまし係数である。
次いで、目標作動ガス温度TCYLGAS、目標充填効率ETAC、燃焼ガス温度の前回値TEXGASZおよび吸気温TAを用い、次式(2)に従って、目標内部EGR量EGRINCMDを算出する(ステップ16)。
EGRINCMD=ETAC*NTCYLMAX*(TCYLGAS−TA)
/(TEXGASZ−TA) ・・・(2)
ここで、右辺のNTCYLMAXは、最大充填量であり、燃焼室3eの容積と行程容積の和である。また、(TCYLGAS−TA)は、目標作動ガス温度と燃焼室3eに吸入される新気の温度との温度差を表し、(TEXGASZ−TA)は、燃焼ガスと新気との温度差を表す。したがって、両者の比(TCYLGAS−TA)/(TEXGASZ−TA)は、内部EGRによって上昇させることが可能な作動ガスの温度上昇分に対する、内部EGRによって上昇させるべき作動ガスの温度の上昇分の比を表す。したがって、この比にETAC*NTCYLMAXを乗算することによって、目標内部EGR量EGRINCMDを適切に算出することができる。
次に、目標内部EGR量EGRINCMDに対してリミット処理を行う(ステップ17)。このリミット処理では、算出した目標内部EGR量EGRINCMDが値0よりも小さいとき、すなわち負の値のときに、目標内部EGR量EGRINCMDを値0に設定する。
次いで、目標内部EGR量EGRINCMD、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じて、位相制御入力U_CAEXおよびリフト制御入力U_SAAEXを算出し(ステップ18)、本処理を終了する。そして、位相制御入力U_CAEXに基づいてカム位相可変機構50の電磁弁54を駆動するとともに、リフト制御入力U_SAAEXに基づいてリフト可変機構70のアクチュエータ80を駆動することにより、内部EGR量が目標内部EGR量EGRINCMDになるように制御され、燃焼室3e内の作動ガスの温度が目標作動ガス温度TCYLGASになるように制御される。
図11は、外部EGR量の制御処理を示すフローチャートである。本処理では、まずステップ21において、CI燃焼モードフラグF_HCCIが「1」であるか否かを判別する。この判別結果がNOのときには、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じ、所定のマップ(図示せず)からSI燃焼時用のマップ値EGRTSを検索し、目標総EGR量EGRTCMDとして設定する(ステップ22)。この目標総EGR量EGRTCMDは、内部EGR量と外部EGR量の和である総EGR量の目標値である。
一方、前記ステップ21の判別結果がYESで、燃焼モードがCI燃焼モードのときには、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じ、所定のマップ(図示せず)からCI燃焼時用のマップ値EGRTCを検索し、目標総EGR量EGRTCMDとして設定する(ステップ23)。
ステップ22または23に続くステップ24では、目標総EGR量EGRTCMDから、前記ステップ16で算出した目標内部EGR量EGRINCMDを減算する(=EGRTCMD−EGRINCMD)ことによって、目標外部EGR量EGREXCMDを算出する。
次に、この目標外部EGR量EGREXCMDに対してリミット処理を行う(ステップ25)。このリミット処理では、算出した目標外部EGR量EGREXCMDが負の値のときに、それを値0に設定する。
次に、算出した目標外部EGR量EGREXCMDおよびエンジン回転数NEに応じて、EGRリフト制御入力U_LIFTを算出し(ステップ26)、本処理を終了する。そして、EGRリフト制御入力U_LIFTに基づいてEGR制御弁15bを駆動することによって、外部EGR量が目標外部EGR量EGREXCMDになるように制御される。
図12は、燃焼モードの切り替え処理を示すフローチャートである。本処理では、まずステップ31において、図8の処理で設定されたCI燃焼モードフラグF_HCCIが「1」であるか否かを判別する。この判別結果がNOのときには、燃焼モードを通常SI燃焼モードに決定し、そのことを表すために、通常SI燃焼フラグF_SINを「1」にセットし(ステップ34)、本処理を終了する。この通常SI燃焼モードでは、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じて、点火時期および燃料の噴射タイミングが設定される。
一方、前記ステップ31の判別結果がYESで、CI燃焼モード中には、目標内部EGR量EGRINCMDが目標総EGR量EGRTCMDよりも大きいか否かを判別する(ステップ32)。この判別結果がYESで、EGRINCMD>EGRTCMDのときには、目標内部EGR量EGRINCMDをそのまま用いると、内部EGR量が過剰になり、その分、燃焼室3eに供給される新気の量が不足することにより、燃焼状態が不安定になるおそれがあるとして、CI燃焼モードフラグF_HCCIを「0」にセットし(ステップ33)、燃焼モードをSI燃焼モードに切り替えるとともに、前記ステップ34を実行し、通常SI燃焼モードを選択する。
一方、前記ステップ32の判別結果がNOのときには、前記ステップ16で算出した、リミット処理を行う前の目標内部EGR量EGRINCMDが、値0よりも小さいか否かを判別する(ステップ35)。この判別結果がYESで、算出された目標内部EGR量EGRINCMDが負の値のときには、目標作動ガス温度TCYLGASよりも吸気温TAが高く、作動ガスの温度がすでに高すぎる状態にあり、早期着火するおそれがあるとして、CI燃焼モードフラグF_HCCIを「0」にセットし(ステップ36)、燃焼モードをSI燃焼モードに切り替えるとともに、SI燃焼モードとしてリタードSI燃焼モードを選択し、そのことを表すために、リタードSI燃焼フラグF_SIRを「1」にセットし(ステップ37)、本処理を終了する。このリタードSI燃焼モードでは、点火時期および燃料の噴射タイミングは、通常SI燃焼モード時よりも遅角側の値に設定される。
一方、前記ステップ32および35の判別結果がいずれもNOで、CI燃焼モード中、目標内部EGR量EGRINCMDが、値0以上で、かつ目標総EGR量EGRTCMD以下のときには、本処理をそのまま終了し、CI燃焼モードを継続する。
以上のように、本実施形態によれば、CI燃焼モード中、目標作動ガス温度TCYLGASが、CI燃焼に適した温度に算出されるとともに、燃焼室3e内の作動ガスの温度が目標作動ガス温度TCYLGASになるように、目標内部EGR量EGRINCMDが算出される。そして、目標内部EGR量EGRINCMDが負の値のときに、燃焼モードをSI燃焼モードに切り替える。したがって、目標作動ガス温度TCYLGASよりも吸気温TAが高く、作動ガスの温度がすでに高すぎる状態にあり、早期着火するおそれがあるときに、燃焼モードをSI燃焼モードに適切に切り替えることができ、それにより、CI燃焼モードを継続したときのノッキングを確実に防止することができる。
また、この場合、SI燃焼モードとして、点火時期および燃料の噴射タイミングをリタードさせるリタードSI燃焼モードが選択されるので、作動ガスの温度を効果的に下げることができ、それにより、切り替え先のSI燃焼での早期着火も防止することができる。
さらに、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じて算出された目標総EGR量EGRTCMDよりも、目標内部EGR量EGRINCMDが大きいときに、燃焼モードをSI燃焼モードに切り替える。したがって、内部EGR量が過剰になり、その分、新気の量が不足することで、燃焼状態が不安定になるおそれがあるときに、燃焼モードをSI燃焼モードに適切に切り替えることができ、それにより、CI燃焼モードを継続したときの失火を確実に防止することができる。
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、目標作動ガス温度を設定するためのパラメータとして、エンジン回転数および要求トルクを用いているが、これに限らず、圧縮着火の生じやすさを表すものであれば、他の適当なパラメータを用いてもよい。また、実施形態では、目標内部EGR量を算出する際のパラメータとして用いる燃焼温度を、推定によって求めているが、排気温センサによって排ガスの温度を直接、検出してもよい。さらに、実施形態では、内部EGR量を、カム位相可変機構およびリフト可変機構の両方によって制御しているが、これに限らず、例えば、両可変機構の一方で制御してもよく、あるいは、これに代えて、またはこれとともに、吸気弁の開弁タイミングを遅らせることで制御してもよい。
さらに、実施形態は、本発明を車両に搭載されたエンジンに限らず、クランク軸を鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
本発明の制御装置を内燃機関とともに概略的に示す図である。 制御装置の一部を示す図である。 カム位相可変機構の概略構成を示す模式図である。 カム位相可変機構により排気カム位相が最遅角値(実線)および最進角値(2点鎖線)に設定されているときの排気弁のバルブリフト曲線を示す図である。 リフト可変機構の概略構成を示す模式図である。 リフト可変機構の概略構成を示す斜視図である。 リフト可変機構による排気リフトの変更状態を示す図である。 燃焼モードの決定処理を示すフローチャートである。 図8の処理で用いられる燃焼領域マップの一例を示す図である。 内部EGR量の制御処理を示すフローチャートである。 外部EGR量の制御処理を示すフローチャートである。 燃焼モードの切り替え処理を示すフローチャートである。
符号の説明
1 制御装置
2 ECU(内部EGR制御手段、目標作動ガス温度設定手段、目標内部EGR量設定
手段、燃焼モード切替手段、外部EGR制御手段、運転状態検出手段およ
び目標総EGR量設定手段)
3 エンジン
3e 燃焼室
12 吸気管(吸気系)
15 排気還流機構(外部EGR制御手段)
21 クランク角センサ(運転状態検出手段)
29 アクセル開度センサ(運転状態検出手段)
40 排気側動弁機構(内部EGR制御手段)
NE エンジン回転数(内燃機関の運転状態)
PMCMD 要求トルク(内燃機関の運転状態)
EGRINCMD 目標内部EGR量
EGRTCMD 目標総EGR量
TCYLGAS 目標作動ガス温度

Claims (2)

  1. 燃焼室に供給された混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮着火燃焼モードと、火花点火により燃焼させる火花点火燃焼モードに、燃焼モードを切り替えて運転される内燃機関の制御装置であって、
    前記燃焼室に既燃ガスを残留させる内部EGR量を制御する内部EGR制御手段と、
    前記圧縮着火燃焼モードにおいて、前記燃焼室内の作動ガスの温度の目標となる目標作動ガス温度を設定する目標作動ガス温度設定手段と、
    前記圧縮着火燃焼モードにおいて、前記燃焼室内の作動ガスの温度が前記目標作動ガス温度になるように、前記内部EGR量の目標となる目標内部EGR量を設定する目標内部EGR量設定手段と、
    前記目標内部EGR量に応じて、前記燃焼モードを前記火花点火燃焼モードに切り替える燃焼モード切替手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記燃焼室から排出された排ガスを吸気系に還流させる外部EGR量を制御する外部EGR制御手段と、
    前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
    当該検出された運転状態に応じて、前記内部EGR量と前記外部EGR量の和である総EGR量の目標となる目標総EGR量を設定する目標総EGR量設定手段と、をさらに備え、
    前記燃焼モード切替手段は、前記目標内部EGR量が、負の値のとき、または前記目標総EGR量よりも多いときに、前記燃焼モードを前記火花点火燃焼モードに切り替えることを特徴とする、請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
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