JP2009203918A - ガソリンエンジンの運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ過給機を備え、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は、過渡運転時にターボ過給機を定常運転時と同様に運転していると、内部ＥＧＲガス量が変化して、安定した予混合圧縮着火による運転ができなかった。
【解決手段】排気ガスにより駆動されるタービン及びタービンにより駆動されて吸入空気を圧縮するコンプレッサを備えるターボ過給機と、少なくとも排気弁の閉弁タイミングを連続的に変更する可変動弁装置を備えてなるガソリンエンジンにおいて、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制御方法であって、ガソリンエンジンの運転状態に応じて要求内部ＥＧＲガス量を算出し、排気圧と要求内部ＥＧＲガス量とから排気弁の閉弁タイミングを決定する。
【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制御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知られている。この種のガソリンエンジンにおいて、予混合圧縮着火を実施し得る運転領域を拡大するために、排気エネルギを利用して吸入空気を過給するターボ過給機を備えるものも、例えば特許文献１や特許文献２により知られている。

このようなターボ過給機を備えるガソリンエンジンでは、高負荷時にターボ過給機により過給して、シリンダ内の吸入空気と内部ＥＧＲ（排気ガス再還流）による高温ガスとを増加させることにより、燃焼時の圧力上昇率が抑制されて、予混合圧縮着火を実施し得る運転領域を高負荷側に拡大できるものである。
特開２００３−１０６１７８ 特開２００３−３４３３１２

ところで、上述の特許文献のもののように、ターボ過給機を備えて予混合圧縮着火を実施するガソリンエンジンにおいて、予混合圧縮着火を実施している間に例えば加速したり減速するといった過渡運転状態となることがある。過渡時の運転状態にあっては、定負荷定回転速度で運転している場合に比較して、エンジン回転数が変化して排気圧したがって排気エネルギが変化するため、その変化に応じて過給圧つまり吸気圧も変化する。排気圧が変化することで、内部ＥＧＲにおける高温ガスつまり排気ガスの残留量が変化することとなる。一方、吸気圧が変化することで、シリンダ内における空気つまり筒内空気量が変化することとなる。

このように内部ＥＧＲによる排気ガス量及び筒内空気量が変化することにより、筒内温度が変化し、予混合圧縮着火における着火時期が変化することになる。また、着火時期が変化することにより、ノックが発生したり、あるいは着火せずに失火したりすることが生じた。この結果、予混合圧縮着火による安定した燃焼を見込めず、火花点火による運転に切り替えることを余儀なくされることになった。したがって、予混合圧縮着火によるメリットを確保するために、このような過渡時においては、その時のターボ過給機の運転状態に応じてガソリンエンジンの吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを変更する必要が生じた。

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、排気ガスにより駆動されるタービン及びタービンにより駆動されて吸入空気を圧縮するコンプレッサを備えるターボ過給機と、少なくとも排気弁の閉弁タイミングを連続的に変更する可変動弁装置を備えてなるガソリンエンジンにおいて、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制御方法であって、ガソリンエンジンの運転状態に応じて要求内部ＥＧＲガス量を算出し、排気圧と要求内部ＥＧＲガス量とから排気弁の閉弁タイミングを決定することを特徴とする。

このような構成によれば、ガソリンエンジンの運転状態に応じて必要となる要求内部ＥＧＲガス量とその運転状態における排気圧とから排気弁の閉弁タイミングを決定するので、排気弁の閉弁を調整することにより過渡時の運転状態にあっても適切な内部ＥＧＲガス量とすることが可能になる。そして、内部ＥＧＲガス量を調整することにより、予混合圧縮着火による点火に最適な筒内温度を維持できるので、予混合圧縮着火による運転状態を安定して継続することが可能になる。この結果、予混合圧縮着火が可能となる運転領域を拡大することができ、燃費の低減と排気ガス特性の向上を図ることが可能になる。

排気圧を推定するには、ガソリンエンジンがターボ過給機のコンプレッサに流入する空気の物理量を測定する上流側センサと、コンプレッサから流出する空気の物理量を測定する下流側センサとをさらに備え、排気圧は、上流側センサと下流側センサとの検出値に基づいてコンプレッサ効率マップを参照してコンプレッサの運転状態を推定し、コンプレッサの運転状態に基づいてタービン効率マップを参照してタービンの運転状態を推定し、推定したコンプレッサの運転状態及びタービンの運転状態に基づいて算出するものが好ましい。このように、排気圧を推定することにより、高温の排気ガスに耐え得る圧力センサが必要でなくなるものである。なお、空気の物理量とは、圧力、質量流量、体積流量を含むものである。

また、高温の排気ガスに耐え得る圧力センサを用いることなく排気圧を推定するためには、排気圧は、ターボ過給機のコンプレッサから流出する吸気圧に基づいて、定負荷でかつ定速運転における吸気圧と排気圧との関係を示す吸気圧対排気圧マップを参照して推定することが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、ガソリンエンジンの運転状態に応じて必要となる要求内部ＥＧＲガス量とその運転状態における排気圧とから排気弁の閉弁タイミングを決定するので、排気弁の閉弁を調整することにより過渡時の運転状態にあっても適切な内部ＥＧＲガス量とすることができ、しかも、内部ＥＧＲガス量を調整することにより、予混合圧縮着火による点火に最適な筒内温度を維持できるので、予混合圧縮着火による運転状態を安定して継続することができる。この結果、予混合圧縮着火が可能となる運転領域を拡大することができ、燃費の低減と排気ガス特性の向上を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に概略的に示したエンジン１００は自動車用のガソリンエンジンで、排気ガスにより駆動されるタービン１及びタービン１により駆動されて吸入空気を圧縮するコンプレッサ２を備えるターボ過給機３と、吸気弁４及び排気弁５の開弁タイミング及び閉弁タイミングを連続的に変更する可変動弁装置たる可変バルブタイミング機構６を備えている。このエンジン１００は、いわゆる筒内燃料噴射式エンジンであるので、シリンダ８内に燃料を噴射するように、燃焼室９の天井に燃料噴射弁１０が取り付けてある。なお、図示しないが、このエンジン１００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ものであるので、燃焼室９内に火花点火用の電極が露出する点火プラグを備えるものである。

ターボ過給機３自体は、この分野で広く知られているものを用いることができる。ターボ過給機３は、排気ガスがタービン１に流入するようにエンジン１００の排気通路１１と連通しており、またコンプレッサ２により空気を圧縮してエンジン１００に供給するようにエンジン１００の吸気通路１２と連通している。タービン１の排気出口１ａは、排気通路１１を介して排気ガス浄化装置である触媒１３に連通している。さらにコンプレッサ２の吸気入口２ａは、エアフィルタ１４に連通している。

吸気通路１２のコンプレッサ２より下流には、吸入空気量を調整するスロットル弁１５が設けてあり、そのスロットル弁１５の下流にはサージタンク１６が設けてある。

可変バルブタイミング機構６は、例えば作動油により作動する機械式のもので、後述する電子制御装置７と協働して、排気弁５と吸気弁４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７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６は、排気弁５及び吸気弁４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５及び吸気弁４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６は、火花着火の際には排気弁５と吸気弁４との開成期間が重なり合うように排気弁５と吸気弁４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３０が排気上死点近傍に位置する所定期間、排気弁５と吸気弁４とを閉じる負のオーバーラップ期間を形成し得るように制御する。なお、この実施形態においては、吸気弁４と排気弁５とのバルブタイミングを制御できる可変バルブタイミング機構６としたが、排気弁５の閉弁タイミングのみを可変制御するものであってもよい。

このようなエンジン１００に対して、エンジン１００の運転状態を検出するために、吸気通路１２におけるエアフィルタ１４とコンプレッサ２の吸気入口２ａとの間に、上流側センサであり、コンプレッサ２に流入する空気の物理量としての吸入空気量を検出するためのエアフローメータ１７が、サージタンク１６には下流側センサであり、コンプレッサ２から流出した空気の物理量としての過給圧を検出するための吸気圧センサ１８がそれぞれ取り付けてある。また、エンジン１００には、これらエアフロメータ１７、吸気圧センサ１８以外に、サージタンク１６内の吸入空気の温度を検出する吸気温センサ１９、エンジン１００の冷却水温度を検出する水温センサ２０、エンジン回転数を検出するための回転数センサ２１、可変バルブタイミング機構６の作動を制御するために必要なカム軸の動作状態を検出するカムシャフトセンサ２２、排気ガスの空燃比を検出するＯ₂ センサ２３、クランク軸の動作状態を検出するクランクセンサ２４等が取り付けられている。

このようなセンサに対して、各センサからの信号を処理する電子制御装置７は、中央演算処理装置７ａと、記憶装置７ｂと、入力インターフェース７ｃと、出力インターフェース７ｄ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。入力インターフェース７ｃには、上述した各種センサから信号が入力され、一方、出力インターフェース７ｄからは、燃料噴射弁１０、点火プラグ等に対して信号が出力される。

この電子制御装置７には、エアフロメータ１７から出力される流量信号と回転数センサ２０から出力される回転数信号とを主な情報とし、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燃料噴射弁１０を制御して、エンジン１００の運転状態に応じた燃料噴射量を燃料制御弁１０から燃焼室９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７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、実施するようプログラミングしてある。そして、電子制御装置７は、ガソリンエンジンの運転状態に応じて要求内部ＥＧＲガス量を算出し、排気圧と要求内部ＥＧＲガス量とから排気弁５の閉弁タイミングを決定する排気弁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。

まず、ステップＳ１において、エンジン回転数、負荷及び吸気圧に基づいて、目標筒内温度を次式により推定する。

Ｔ_total＝（Ｃ_paＧ_aＴ_a＋Ｃ_pegrＧ_egrＴ_egr）／（Ｃ_paＧ_a＋Ｃ_pegrＧ_egr）
・・・（１）
ただし、Ｃ_pa：吸入空気の定圧比熱、Ｇ_a：吸入空気の質量流量、Ｔ_a：吸入空気の温度、Ｃ_pegr：内部ＥＧＲガスの定圧比熱、Ｇ_egr：内部ＥＧＲガスの質量流量、Ｔ_egr：内部ＥＧＲガスの温度、である。

吸入空気の質量流量は、エアフロメータ１７により、吸入空気の温度つまり吸気温は、吸気温センサ１９によりそれぞれ測定するものであり、内部ＥＧＲガスの質量流量は吸入空気量と噴射された燃料量とに基づいて算出するものである。

次に、ステップＳ２では、吸気温、吸入空気量及び排気ガス温度に基づいて、目標筒内温度に到達するのに要する要求内部ＥＧＲガス量を算出する。この場合、排気ガス温度つまりは内部ＥＧＲガス温度は、タービン特性を考慮しての予測値を用いるものである。

ステップＳ３では、タービン入ガス圧力と要求内部ＥＧＲガス量とに基づいて、排気ガス閉じ込め容積したがって内部ＥＧＲガス量を次式により算出する。

Ｇ_egr＝ρ_egrＶ_egr＝ρ_0egr（Ｐ_tin／Ｐ₀）Ｖ_egr・・・・（２）
ただし、ρ_egr：内部ＥＧＲガスの密度、Ｖ_egr：内部ＥＧＲガスの容積、ρ_0egr：内部ＥＧＲガスの定常時密度、Ｐ_tin：タービン入ガス圧力、Ｐ₀：内部ＥＧＲガスの定常時圧力、である。この場合、タービン入ガス圧力は、タービン１に入るガスつまり排気ガスの圧力、排気圧であり、実測するものであってよく、また後述するように、コンプレッサ効率マップ及びタービン効率マップを用いて算出するものであってよい。

そして、ステップＳ４では、排気ガス閉じ込め容積に基づいて排気弁閉弁タイミングを決定する。

タービン入ガス圧力は、圧力センサにより実測しない場合、例えば以下のようにして算出する。

（１）エアフロメータ１７の出力信号と吸気温センサ１９の出力信号とに基づいて、コンプレッサ体積流量及びコンプレッサ質量流量（Ｇ_a）を算出する。

（２）吸気圧センサ１８の出力信号に基づいて、コンプレッサ圧力比（π_c）を算出する。また、コンプレッサ通過ガスに基づいて、吸入空気の比熱比（κ_a）と定圧比熱（Ｃ_pa）とを算出する。

（３）燃料噴射量、コンプレッサ体積流量、コンプレッサ質量流量及びコンプレッサ圧力比に基づいて、空燃比、排気ガス温度すなわちタービン入ガス温度（Ｔ_tin）及びタービン通過ガス質量流量（Ｇ_g）を算出するとともに、コンプレッサ効率マップを参照してコンプレッサの運転点を決定する。コンプレッサ効率マップは、例えば図３に示すように、横軸の吸入空気流量と、縦軸のコンプレッサ圧力比とでコンプレッサ効率を規定するものである。同一のターボ回転数の場合におけるコンプレッサ効率の変化を把握し得るようになっている。

（４）算出した空燃比及び排気ガス温度に基づいて、タービン通過ガスすなわち排気ガスの比熱比（κ_g）と定圧比熱（Ｃ_pg）とを算出する。

（５）算出したタービン通過ガス質量流量とターボ回転数とに基づいて、タービン出ガス圧力を算出する。また、タービン通過ガス質量流量とターボ回転数とに基づいて、タービン効率マップを参照してタービン効率（η_t）を決定する。タービン効率マップは、図４に示すように、各ターボ回転数毎にコンプレッサ効率を規定するものである。

（６）次に示すターボエネルギバランス式に基づいて、タービン膨張比（π_t）を算出する。

・・・（３）

ただし、π_c：コンプレッサ圧力比、π_t：タービン圧力比、κ_a：コンプレッサ比熱比、κ_g：タービン比熱比、Ｃ_pa：コンプレッサ通過ガス（空気）の定圧比熱、Ｃ_pg：タービン通過ガスの定圧比熱、Ｇ_a：コンプレッサ通過ガス質量流量、Ｇ_g：タービン通過ガス質量流量、Ｔ_cin：コンプレッサ入ガス温度、Ｔ_tin：タービン入ガス温度、η_c：コンプレッサ効率、η_t：タービン効率、η_m：ターボ機械効率、である。

（７）算出したタービン膨張比とタービン出ガス圧力とに基づいて、タービン入ガス圧力を算出する。

なお、タービン入ガス温度（Ｔ_tin）は、タービン圧力比（π_t）に応じて変化するものである。また、タービン圧力比（π_t）は、エンジン１００の過渡運転状態にはその運転状態によって変化するものである。具体的には、例えば、タービン圧力比（π_t）が大きくなると、タービン入ガス圧力が高いためにタービン入ガス温度（Ｔ_tin）は低いときに比較して上昇するものである。このため、過渡運転時やターボ過給機３の高回転作動時には、タービン圧力比（π_t）、タービン効率（η_t）及びタービン入ガス温度（Ｔ_tin）の変化が少なくなるまでの間、これらの要素を繰り返して計算し（特に、上述した第（３）項〜第（６）項）、バルブタイミングを制御する必要がある。これに対して、定常運転時には、例えば数点火の期間にタービン入ガス圧力を計算すると、タービン圧力比（π_t）、タービン効率（η_t）及びタービン入ガス温度（Ｔ_tin）は整合するものである。これにより、簡略的に前回の点火時の算出値を引き継いでバルブタイミングをすることが可能になり、よって電子制御装置７の負荷を軽減させることが可能になる。

このような構成において、エンジン１００が定常運転状態から過渡運転状態に変わった場合、電子制御装置７は、上述した排気弁制御プログラムを実行し、可変バルブタイミング機構６を制御して排気弁５の閉弁タイミングを制御することにより、過渡運転時に必要な内部ＥＧＲガス量を確保するものである。すなわち、電子制御装置７は、その時の過渡運転時における要求内部ＥＧＲガス量をステップＳ１及びステップＳ２において演算し、得られた要求内部ＥＧＲガス量と、その時点のタービン１に入る排気ガスの圧力に想到するタービン入ガス圧力とにより演算した排気ガス閉じ込め容量の多少に基づいて、排気弁５の閉弁タイミングを決定する（ステップＳ３、ステップＳ４）。すなわち、演算した排気ガス閉じ込め容量が少ない場合は、排気弁５の閉弁タイミングを遅くし、逆に排気ガス閉じ込め容量が多い場合は、閉弁タイミングを早くするものである。

このように、タービン入ガス圧力つまり排気圧から実際の過渡運転において必要な内部ＥＧＲガス量を把握し、その結果に基づいて排気弁５の閉弁タイミングを制御することにより、過渡運転時の内部ＥＧＲガス量を適切なものに制御することができる。内部ＥＧＲガス量を適切なものにすることにより、予混合圧縮着火を安定なものにすることができ、しかもその安定な状態を継続することができる。この結果、予混合圧縮着火による運転が可能な運転領域を拡大することができるので、燃料消費量を抑えて燃費を向上させることができる。このように、予混合圧縮着火による運転領域を拡大することにより、排気ガス内の大気汚染物質の排出量を低減することができる。

また、上述したように、タービン入ガス圧力を算出することで、排気ガスの高温に対する耐熱性能を有する高価な圧力センサを使用する必要がないので、製造コストを低く抑えることができる。

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、タービン効率マップを参照して、タービン効率を決定したが、タービン効率マップを用いる代わりに、タービン効率を一定値としてターボエネルギバランス式（（３）式）によりタービン膨張比を算出するものであってもよい。この場合に、吸入空気の比熱比（κ_a）及び定圧比熱（Ｃ_pa）、排気ガスの比熱比（κ_g）及び定圧比熱（Ｃ_pg）、空燃比、排気温度、ターボ回転数、コンプレッサ効率、コンプレッサ入ガス温度、タービン効率を、一定値あるいは定常運転で事前に得られたマップに記録された値に基づいて算出するものであってもよい。

さらに、タービン入ガス圧力つまり排気圧を、ターボエネルギバランス式に基づいて算出するものを説明したが、吸気圧対排気圧マップを参照して推定するものであってよい。吸気圧対排気圧マップは、定負荷・低回転運転における吸気圧つまりコンプレッサ出ガス（過給空気）の圧力と排気圧との関係を示したものである。この吸気圧対排気圧マップは、種々のエンジン回転数毎に設定されており、設定されていないエンジン回転数に対しては、補間計算をすることにより排気圧を算出するものである。なお、吸気圧対排気圧マップを用いて排気圧を推定した場合には、その後、排気圧、吸入空気量及び噴射した燃料量から排気ガス温度（すなわち内部ＥＧＲガス温度）を算出し、算出した排気ガス温度を用いて、排気弁５の閉弁タイミングを決定するように、制御することが望ましい。

このように、吸気圧対排気圧マップを使用することにより、上述の実施形態と同様に高い耐熱性能を有する高価な圧力センサを使用する必要がなくなり、製造コストを低く抑えることができる。加えて、タービン入ガス圧力を算出する過程を単純化することができるので、電子制御装置７における演算処理を簡素化することができ、排気弁制御における処理速度を高速化することができる。

加えて、上述の実施形態では、可変動弁装置として、閉弁タイミングと開弁タイミングとのバルブタイミングを制御する可変バルブタイミング機構を説明したが、可変動弁装置としては、このような可変バルブタイミング機構と共に、吸気弁４及び排気弁５のバルブリフト量を可変し得る可変動弁装置を備えるものであってよい。この場合、排気弁５のバルブリフト量を変更することにより、排気圧の制御に寄与するようにするものである。

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。 同実施形態のコンプレッサ効率マップの内容を示すグラフ。 同実施形態のタービン効率マップの内容を示すグラフ。

符号の説明

１…タービン
２…コンプレッサ
３…ターボ過給機
４…吸気弁
５…排気弁
６…可変バルブタイミング機構
７…電子制御装置

Claims (3)

1. 排気ガスにより駆動されるタービン及びタービンにより駆動されて吸入空気を圧縮するコンプレッサを備えるターボ過給機と、少なくとも排気弁の閉弁タイミングを連続的に変更する可変動弁装置を備えてなるガソリンエンジンにおいて、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制御方法であって、
   ガソリンエンジンの運転状態に応じて要求内部ＥＧＲガス量を算出し、
   排気圧と要求内部ＥＧＲガス量とから排気弁の閉弁タイミングを決定するガソリンエンジンの運転制御方法。
2. ガソリンエンジンがターボ過給機のコンプレッサに流入する空気の物理量を測定する上流側センサと、コンプレッサから流出する空気の物理量を測定する下流側センサとをさらに備え、
   上流側センサと下流側センサとの検出値に基づいてコンプレッサ効率マップを参照してコンプレッサの運転状態を推定し、
   コンプレッサの運転状態に基づいてタービン効率マップを参照してタービンの運転状態を推定し、
   推定したコンプレッサの運転状態及びタービンの運転状態に基づいて排気圧を算出する請求項１記載のガソリンエンジンの運転制御方法。
3. 排気圧は、ターボ過給機のコンプレッサから流出する吸気圧に基づいて、定負荷でかつ定速運転における吸気圧と排気圧との関係を示す吸気圧対排気圧マップを参照して推定する請求項１記載のガソリンエンジンの運転制御方法。

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