JP2009180197A - ガソリンエンジンの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮着火を実施するガソリンエンジンにおいて、予混合圧縮着火から火花点火に切り替える場合に、内部ＥＧＲによりシリンダ内が高温な状態で火花点火を実施すると、自着火しやすいために重度のノッキングが生じることがある。
【解決手段】排気上死点近傍において排気弁と吸気弁との両方が閉じる負のオーバーラップ期間を形成して予混合圧縮着火を実施し、負のオーバーラップ期間を多くとも予混合圧縮着火の場合より短く形成して火花点火を実施するガソリンエンジンにおいて、予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に移る場合に負のオーバーラップ期間を短縮し、負のオーバーラップ期間を短縮している間は燃料をその噴射時期の終了時点が膨張行程開始以降になるように噴射し、燃料の噴射が終了した後に点火する。
【選択図】図２

Description

本発明は、運転領域に応じて予混合圧縮着火と火花点火とを切り替えて実施するガソリンエンジンの運転方法に関するものである。

従来、点火プラグにより混合気に着火する火花点火と、点火プラグを使用することなくガソリン及び空気の混合気を圧縮して着火する予混合圧縮着火とを、運転状態に応じて実施するガソリンエンジンが、例えば特許文献１により知られている。すなわち、この特許文献１に記載のものでは、低負荷かつ低中回転領域にあっては成層予混合圧縮着火、中負荷かつ低中回転領域にあっては均一予混合圧縮着火、それ以外の領域では火花点火、というように火花点火と予混合圧縮着火とを選択して実施するものである。火花点火は、成層燃焼となるように燃料噴射を実行し、点火プラグの近傍に空燃比の高い混合気を形成して実施するものである。
特開２００２−２４２７３０号公報

ところで、このような構成のものであると、例えば車両を加速する場合などでガソリンエンジンの運転状態が、均一予混合圧縮着火領域から火花点火領域に変わると、点火方式は予混合圧縮着火から火花点火に変わる。しかも、この特許文献１に記載のものでは、火花点火は、成層燃焼により実施するものである。

このため、均一予混合圧縮着火から火花点火に切り替えると、排気弁を制御して内部ＥＧＲ制御（排気ガス再循環制御）によるシリンダ内に残留する排気ガス量が多く、点火プラグによる点火に先立って、自着火する場合がある。つまり、このような点火方式の切り替えの場合、予混合圧縮着火時の内部ＥＧＲが残存するために、成層混合気に対する火花点火に切り替えた後でもシリンダ内温度が高く、よって自着火するものとなる。このような自着火は異常燃焼であり、重度のノッキングとなる。しかも、吸気弁と排気弁とのリフト量を制御して、内部ＥＧＲによる排気ガス量が減少するように制御しても、内部ＥＧＲによる排気ガス量を急激に少なくすることができないので、つまりそのような状態にするまでに時間が必要となることで、ノッキングの発生が長期間にわたる不具合が生じた。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明のガソリンエンジンの運転制御方法は、シリンダ内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、吸気弁と排気弁との開弁タイミングと閉弁タイミングとを連続的に変更する可変動弁装置を備え、運転領域に応じて予混合圧縮着火と火花点火とを切り替えて実施するガソリンエンジンにおいて、可変動弁装置により排気上死点近傍において排気弁と吸気弁との両方が閉じる負のオーバーラップ期間を形成して予混合圧縮着火を実施し、負のオーバーラップ期間を多くとも予混合圧縮着火の場合より短く形成して火花点火を実施するようにガソリンエンジンの運転を制御するガソリンエンジンの運転制御方法であって、予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に移る場合に負のオーバーラップ期間を短縮し、負のオーバーラップ期間を短縮している間は燃料をその噴射時期の終了時点が膨張行程開始以降になるように噴射し、燃料の噴射が終了した後に点火することを特徴とする。

このような構成によれば、予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に移る場合に、負のオーバーラップ期間を短縮することにより、内部ＥＧＲによる排気ガス量を減少させて、シリンダ内の温度を低くする。そして、そのような状態において燃料を、その噴射時期の終了時点が膨張行程の開始以降になるように噴射することで、シリンダ内の混合気が自着火する可能性を低くしている。さらに、そのようにして燃料噴射を実施した後に、すなわち膨張行程が開始されている状態で点火するものである。

このように、燃料噴射時期と点火時期とを通常の運転状態の場合に比較して遅角させることにより、燃料の噴射時期に合わせた点火時期にして、点火方法を切り替える場合にノッキングが発生することを防ぐことが可能になる。そして、火花点火可能なバルブタイミングとなった場合に通常の火花点火による燃焼を開始するので、点火方法を円滑に運転領域の移行に対応させて変更することが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、燃料噴射時期と点火時期とを通常の運転状態の場合に比較して遅角させることにより、燃料の噴射時期に合わせた点火時期にして、点火方法を切り替える場合にノッキングが発生することを防ぐことができる。そして、火花点火可能なバルブタイミングとなった場合に通常の火花点火による燃焼を開始するので、点火方法を円滑に運転領域の移行に対応させて変更することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

以下に説明する実施形態のガソリンエンジン１００は、可変バルブタイミング機構３０を装備しているエンジンで、予混合圧縮着火を実施するために、圧縮比を通常の火花着火のみを実施するエンジンに比べて高くしてある。そしてこのような圧縮比の設定以外は、可変バルブタイミング機構３０を備える通常の火花着火式のエンジンと同じである。

具体的には、図１に１気筒の構成を概略的に示したガソリンエンジン１００は、自動車用の３気筒のもので、その吸気系１には、エアクリーナＡＣの下流に吸気流量を検出するためのエアフロメータ１６が配設され、図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられ、サージタンク３からの吸入空気は吸気ポート１０及び吸気弁３７を介してシリンダ３８内に吸入される。この吸気系１には、スロットルバルブ２を迂回する迂回路であるバイパス通路１ａが設けてあり、そのバイパス通路１ａにはバイパス通路１ａを通過する空気量を制御するための流量制御弁１ｂが設けてある。この流量制御弁１ｂは、主としてガソリンエンジン１００のアイドル回転制御を実行する際に制御される。

このガソリンエンジン１００は、燃料であるガソリンをシリンダ３８内に直接噴射する方式のものであり、そのためにインジェクタ５を燃焼室３５の天井に取り付けている。このインジェクタ５は、電子制御装置６により制御するようにしている。また、排気系２０には、燃焼室３５から排気弁３６を介して排出された排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ２１が、図示しないマフラに至るまで管路に配設された三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。

可変バルブタイミング機構３０は、例えば作動油により作動する機械式のもので、電子制御装置６と協働して、排気弁３６と吸気弁３７とのそれぞれの開閉時期を独立して制御できるものである。すなわち、電子制御装置６が出力する信号により、作動油が制御されて作動するものである可変バルブタイミング機構３０は、排気弁３６及び吸気弁３７を全開にする作動中心を進角及び遅角するとともに、排気弁３６及び吸気弁３７の作動角度を制御するものである。可変バルブタイミング機構３０は、火花着火の際には排気弁３６と吸気弁３７との開成期間が重なり合うように排気弁３６と吸気弁３７とを制御し、予混合圧縮着火の際には、排気行程から吸気行程に移行する間に、ピストン３９が排気上死点近傍に位置する所定期間、排気弁３６と吸気弁３７とを閉じるように制御する。以下の説明において、前述の所定期間を負のオーバーラップ期間と称する。

可変バルブタイミング機構３０とともにガソリンエンジン１００の運転を制御する電子制御装置６は、中央演算装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。その入力インターフェース９には、エンジン回転数ＮＥを検出するための回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂ、クランクセンサ４１から出力されるクランク角度信号ｍ、タイミングセンサ４２から出力される吸気カム信号ｎ、吸入空気流量を検出するためのエアフロメータ１６から出力される流量信号ｄ、ガソリンエンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１７から出力される水温信号ｅ、上記したＯ₂ センサ２１から出力される電圧信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、インジェクタ５に対して燃料噴射信号ｆが、また火花着火の実施に際して点火プラグ１８に対して点火信号たる通電信号ｇが出力されるようになっている。

電子制御装置６には、エアフロメータ１６から出力される流量信号ｄと回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、ガソリンエンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間すなわち基本噴射量を補正してインジェクタ開成時間である最終噴射時間すなわち燃料噴射量を決定し、その決定された時間によりインジェクタ５を制御して、ガソリンエンジン１００の運転状態に応じた燃料噴射量をインジェクタ５から燃焼室３５内にその運転状態に対応する運転領域に対して設定される噴射時期に噴射するためのプログラムが内蔵してある。また電子制御装置６は、基本的には、エンジン回転数及び負荷により規定される運転領域により火花点火と予混合圧縮着火とを切り替えて、実施するものである。そして、予混合圧縮着火を実施する運転領域から火花点火を実施する運転領域に移行する場合にあっては、電子制御装置６は、予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に移る際に負のオーバーラップ期間を短縮し、負のオーバーラップ期間を短縮している間は燃料をその噴射時期の終了時点が膨張行程開始以降になるように噴射し、燃料の噴射が終了した後に点火する切替制御プログラムを実行するものである。

図２を交えて、この実施形態における点火方法を切り替える際の制御手順を説明する。なお、この切替制御を実行するにあたっては、予混合圧縮着火による運転（燃焼）と火花点火による運転（燃焼）とが同一トルクで両立することを前提としている。

まず、ステップＳ１において、エアフロメータ１６から出力される流量信号ｄに基づいて空気流量を検出し、エンジン回転数ＮＥを回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂに基づいて検出して、ガソリンエンジン１００の運転状態つまりどの運転領域において運転しているかを検出する。次に、ステップＳ２において、予混合圧縮着火の運転領域から火花点火の運転領域への移行か否かを判定する。すなわち、予混合圧縮着火は、エンジン回転数が中回転数で、かつ負荷が中程度の運転領域に対して適用するものであり、高回転数高負荷運転領域にあっては点火プラグ１８による火花点火を実施する。

ステップＳ２において、予混合圧縮着火から火花点火へ運転領域が移行することを判定した場合は、ステップＳ３において、吸気弁３７と排気弁３６とを可変バルブタイミング機構３０を制御して、負のオーバーラップ期間を短縮する。すなわち、可変バルブタイミング機構３０は、排気弁３６の閉弁タイミングを遅くするとともに吸気バルブ３７の開弁タイミングを早くするものである。この負のオーバーラップ期間の短縮は、一度の制御で火花点火を実施する場合の期間にするものではなく、点火時期がくる毎に所定量だけ短くするものである。このように負のオーバーラップ期間を短縮することにより、排気弁３６と吸気弁３７との開閉タイミングは、徐々に変化するものである。このように、排気弁３６と吸気弁３７との開閉タイミングつまりバルブタイミングを変更することにより、内部ＥＧＲによる排気ガス量も漸減するものとなる。なお、排気弁３６と吸気弁３７との開閉タイミングは、負のオーバーラップ期間を短縮するために、所望の負のオーバーラップ期間となる開閉タイミングまで一気に変更するものであってもよく、あるいは、二段階や三段階などで所望の負のオーバーラップ期間になるように段階的に変更するものであってもよい。

ステップＳ４では、負のオーバーラップ期間を短縮している場合において、設定した噴射時期と噴射量により燃料を燃焼室３５に直接噴射する。この場合、噴射時期は、通常の噴射時期より遅延させるもので、燃料の噴射終了時点が膨張行程の開始以降、つまりピストン３９が圧縮行程における上死点を通過した後となるように設定するものである。また噴射時期は、その開始タイミングが圧縮行程であってもよく、その場合にあっても噴射終了時点は膨張行程になるように設定するものである。したがって、燃料噴射は、圧縮行程における上死点の近傍のタイミングで実行するものものである。このように、膨張行程で燃料を噴射すると、混合気が圧縮されてその温度が上昇することがなく、逆に温度は降下するので、自着火する可能性を低くするものである。

ステップＳ５では、点火プラグ１８により点火を行う。すなわち、この場合の点火は、ステップＳ４において実施した通常の噴射時期よりも遅らされた燃料噴射の後に実施するものであるので、火花点火における通常の点火時期よりも遅角された点火時期での実施となる。この後、ステップＳ６において、火花点火が可能なバルブタイミングになったか否かを判定する。排気弁３６と吸気弁３７とのそれぞれの開及び閉タイミングであるバルブタイミングにおいて、ステップＳ３において、負のオーバーラップ期間を短縮することにより、予混合圧縮着火を実施している場合に比較して、排気弁３６の弁閉タイミングと吸気弁３７の弁開タイミングとが接近するように変化している。火花点火が可能なバルブタイミングとは、負のオーバーラップ期間が全くない状態か、もしくは負のオーバーラップ期間が予混合圧縮着火を実施している場合の負のオーバーラップ期間よりも短い期間である状態となるバルブタイミングを指すものである。したがって、内部ＥＧＲによる排気ガス量は、予混合圧縮着火に比較して少なくして、混合気の温度の上昇を抑制するものである。

ステップＳ６において、火花点火可能なバルブタイミングでないと判定した場合は、ステップＳ３に戻り、再度負のオーバーラップ期間を短縮し、その後、ステップＳ４〜ステップＳ６を実行する。これに対して、火花点火可能なバルブタイミングであると判定した場合は、ステップＳ７において、通常の火花点火を実施する。

以上の構成において、ガソリンエンジン１００は、設定された運転領域に対応する運転状態になった場合に、その運転領域の点火方式により運転されるものである。すなわち、例えば低中負荷、低中エンジン回転の運転領域では、予混合圧縮着火により運転し、それ以外の運転領域では火花点火に運転するものである。そして、予混合圧縮着火による運転領域にて運転している状態から、エンジン回転数を上昇させて火花点火による運転領域に移行した場合、点火方式を変更するために、ステップＳ１、ステップＳ２を実行し、移行の判定の後、ステップＳ３〜ステップＳ５を実行して、燃料の噴射時期と点火時期とを通常のそれらに比較して遅延させる。この場合に、負のオーバーラップ期間を徐々に短縮するので、排気弁３６及び吸気弁３７のバルブタイミングは予混合圧縮着火におけるそれとは変化していく。そして、バルブタイミングが火花点火可能なタイミングになったことを判定すると（ステップＳ６にて「Ｙｅｓ」）、それまでの遅角した点火時期からその時の運転状態に応じた通常の点火時期すなわち予混合圧縮着火を実施しないエンジンにおいても実施されている点火時期において火花点火を実施する。

このように、燃料の噴射時期を、噴射終了のタイミングが膨張行程に入ってからとして、自着火しないタイミングとすることにより、また、燃料の噴射時期を通常の運転時より遅らせたことに合わせて点火時期も遅らせることにより、予混合圧縮着火から火花点火に切り替える際にノッキングが生じることを防止することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態においては、吸気弁３７及び排気弁３６の作動角度を制御する可変バルブタイミング機構３０を説明したが、このような作動角度を制御する機構に吸気弁及び排気弁のバルブリフト量を制御するバルブリフト可変式動弁装置を組み合わせて、吸気弁と排気弁との両方の作動角度とバルブリフト量とを、運転状態に応じて変更するものであってよい。このようなバルブリフト量を制御できる動弁装置を併用して、吸気弁のリフト量を増加させて空気の吸入量を増加させて、シリンダ内の温度を効果的に低くすることができ、その結果、ノッキングを防止することに寄与させることとなる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態におけるガソリンエンジンの概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

符号の説明

５…インジェクタ
６…電子制御装置
１８…点火プラグ
３０…可変バルブタイミング機構
３６…排気弁
３７…吸気弁

Claims (1)

1. シリンダ内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、吸気弁と排気弁との開弁タイミングと閉弁タイミングとを連続的に変更する可変動弁装置を備え、運転領域に応じて予混合圧縮着火と火花点火とを切り替えて実施するガソリンエンジンにおいて、可変動弁装置により排気上死点近傍において排気弁と吸気弁との両方が閉じる負のオーバーラップ期間を形成して予混合圧縮着火を実施し、負のオーバーラップ期間を多くとも予混合圧縮着火の場合より短く形成して火花点火を実施するようにガソリンエンジンの運転を制御するガソリンエンジンの運転制御方法であって、
   予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に移る場合に負のオーバーラップ期間を短縮し、
   負のオーバーラップ期間を短縮している間は燃料をその噴射時期の終了時点が膨張行程開始以降になるように噴射し、
   燃料の噴射が終了した後に点火するガソリンエンジンの運転制御方法。

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