JP2010024960A - エンジンの運転モード切替制御装置及び運転モード切替制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転状態に応じて圧縮着火運転モード及び火花着火運転モードに切り替えるエンジンにおいて特に低負荷域で圧縮着火運転モードの運転域を拡大できるエンジンの運転モード切替制御装置及び運転モード切替制御方法を提供する。
【解決手段】運転状態に応じて火花着火運転モードと圧縮着火運転モードとを切り替えるエンジンの運転モード切替制御装置であって、低負荷運転中に火花着火運転モードから圧縮着火運転モードに切り替えるときは筒内流動を弱め、圧縮着火運転モードから火花着火運転モードに切り替えるときは筒内流動を強める筒内流動調整手段(Ｓ７，Ｓ８)を有する。
【選択図】図３

Description

この発明は、運転状態に応じて火花着火運転モードと圧縮着火運転モードとを切り替えるエンジンの運転モード切替制御装置及び運転モード切替制御方法に関する。

所定の運転領域では予混合ガスを圧縮して自己着火させる圧縮着火(Homogeneous Charge Compression Ignition；以下「ＨＣＣＩ」と略す)の運転モードにし、それ以外の運転領域では点火プラグを使用する火花着火(Spark Ignition；以下「ＳＩ」と略す)の運転モードにするエンジンが研究されている。

ＨＣＣＩモードで運転すると、燃費が向上し、また大気汚染物質(特に窒素酸化物ＮＯｘ)の排出量も大幅に低減できるので、ＨＣＣＩモードの運転領域を拡大することが望ましい。ところがＨＣＣＩモードで運転できる領域は狭く、運転状態に応じて適宜ＨＣＣＩモード及びＳＩモードに切り替える必要がある。そして、たとえば特許文献１ではＳＩモードからＨＣＣＩモードに切り替えるときは、内部ＥＧＲを増量するとともに筒内ガスの流動を強めてから、運転モードを切り替えている。
特開２００７−１６６８５号公報

しかしながら、筒内ガスの流動を強めてから、ＳＩモード→ＨＣＣＩモードへ切り替えると、ＨＣＣＩモードにおいて要求される筒内温度への到達が遅くなる。すると特に低負荷域でのＨＣＣＩモードの運転領域の拡大を妨げる要因になってしまうことが発明者によって知見された。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、運転状態に応じてＨＣＣＩモード及びＳＩモードに切り替えるエンジンにおいて特に低負荷域でＨＣＣＩモードの運転域を拡大できるエンジンの運転モード切替制御装置及び運転モード切替制御方法を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、運転状態に応じて火花着火運転モードと圧縮着火運転モードとを切り替えるエンジンの運転モード切替制御装置であって、低負荷運転中に火花着火運転モードから圧縮着火運転モードに切り替えるときは筒内流動を弱め、圧縮着火運転モードから火花着火運転モードに切り替えるときは筒内流動を強める筒内流動調整手段(ステップＳ７，Ｓ８)を有することを特徴とする。

本発明によれば、低負荷運転中に火花着火運転モードから圧縮着火運転モードに切り替えるときは筒内流動を弱めるようにしたので、筒内ガスがシリンダ壁面から熱損失しにくくなり、圧縮着火運転モードで運転するときに要求される筒内温度へ迅速に到達でき、燃料の自着火性を確保できる。そのためスムーズに運転モードを切り替えることができる。また圧縮着火運転モードから火花着火運転モードに切り替えるときは筒内流動を強めるので、火花着火運転モードで運転してもノックを生じることなくスムーズに運転モードを切り替えることができる。このように火花着火運転モード／圧縮着火運転モードでの運転モードをスムーズに切り替えることができ、低負荷域での圧縮着火運転領域を拡大できるのである。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置の基本構成図である。

エンジン１０は、吸気弁１１と、排気弁１２と、燃料噴射弁１３と、点火プラグ１４と、筒内圧センサ１５と、を備える。エンジン１０の吸気通路２１には、吸気スロットル３１と、筒内流動制御弁３２と、が設けられる。エンジン１０の排気通路２２には、排ガス浄化触媒４０が設けられる。

吸気弁１１は、吸気通路２１を開閉しエンジン筒内への吸気の流れを調整する。吸気弁１１は、可変動弁機構によって作動角及び作動中心を連続して調整可能である。なお可変動弁機構としては、たとえば特開２００４−３４６８２５号公報や特開２００７−３１５２２９号公報に開示されたＶＶＥＬ(Variable Valve Event and Lift control)及びＶＴＣ(Valve Timing Control)を使用すればよい。

排気弁１２は、排気通路２２を開閉しエンジン筒内からの排気の流れを調整する。

燃料噴射弁１３は、エンジン筒内に燃料を噴射する。

点火プラグ１４は、ＳＩモードで運転中に混合気に火花着火する。

筒内圧センサ１５は、エンジン筒内の圧力を検出する。この検出圧の圧力波形に基づいて図示平均有効圧が算出される。

吸気スロットル３１は、コントローラの信号に応じて開度を調整して吸気量を制御する。

筒内流動制御弁３２は、エンジン筒内の流動の強さを調整する。筒内流動制御弁３２は、たとえば筒内のスワール流の強さを調整するスワール制御弁である。または筒内流動制御弁３２は、たとえば筒内のタンブル流の強さを調整するタンブル制御弁である。

図２は、ＨＣＣＩモードとＳＩモードとを切り替えるエンジンの運転領域を説明する図である。

運転条件によってＨＣＣＩモードとＳＩモードとを切り替えるエンジンが研究されている。本件発明者らが研究中のエンジンは、図２に示すように低回転低負荷の所定領域(ＨＣＣＩ運転ゾーン)でＨＣＣＩモードで運転し、それ以外のＳＩ運転ゾーンではＳＩモードで運転する。ＨＣＣＩモードでは、極めてリーンな空燃比(たとえば２５〜４０程度)で運転するので、燃費が向上するとともに、大気汚染物質(特に窒素酸化物ＮＯｘ)の排出量も大幅に低減できる。そのためＨＣＣＩモードの運転領域を拡大することが望ましい。

そこで本実施形態では、低負荷域での切り替えを以下のようにすることでＨＣＣＩモードの運転領域を拡大するようにした。

図３は本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置の制御ロジックのメインルーチンを示すフローチャートである。なおコントローラはエンジン運転中に以下の処理を微小時間(たとえば１０ミリ秒)ごとに繰り返し実行する。

ステップＳ１においてコントローラは、エンジンの運転状態を検出する。

ステップＳ２においてコントローラは、エンジンの運転状態が低負荷運転であるか否かを判定する。低負荷運転であればステップＳ３へ処理を移行し、そうでなければ一旦処理を抜ける。

ステップＳ３においてコントローラは、エンジンの運転状態がＳＩ運転ゾーンであるか否かを判定する。具体的には図２に示したマップに基づき判定する。ＳＩ運転ゾーンであればステップＳ４へ処理を移行し、そうでなければステップＳ５へ処理を移行する。

ステップＳ４においてコントローラは、ＳＩモードで運転する。具体的な内容は後述する。

ステップＳ５においてコントローラは、エンジンの運転状態が切替ゾーンであるか否かを判定する。具体的には図２に示したマップに基づき判定する。切替ゾーンであればステップＳ６へ処理を移行し、そうでなければステップＳ９へ処理を移行する。

ステップＳ６においてコントローラは、１サイクル前がＳＩモードで運転していたか否かを判定する。ＳＩモードで運転していたらステップＳ７へ処理を移行し、そうでなければステップＳ８へ処理を移行する。

ステップＳ７においてコントローラは、切替ゾーンＳＩモードで運転する。具体的な内容は後述する。

ステップＳ８においてコントローラは、切替ゾーンＨＣＣＩモードで運転する。具体的な内容は後述する。

ステップＳ９においてコントローラは、ＨＣＣＩモードで運転する。具体的な内容は後述する。

図４は本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置のＳＩモード運転ロジックのサブルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ４１においてコントローラは、ＥＧＲ量としてＥＧＲ＿ＳＩを設定する。なおこのＥＧＲ＿ＳＩは、ＳＩモードで運転するときに好適なＥＧＲ量であり、あらかじめ実験を通じて設定されている。

ステップＳ４２においてコントローラは、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを強にする。

ステップＳ４３においてコントローラは、ＳＩモードで運転する。

図５は本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置の切替ゾーンＳＩモード運転ロジックのサブルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ７１においてコントローラは、運転状態に応じたＥＧＲ量になるように吸気弁１１のバルブタイミングを設定する。具体的には図８(Ａ)→図８(Ｂ)に示すように、吸気弁の閉弁タイミング(ＩＶＣ)を維持したまま開弁タイミング(ＩＶＯ)を進角すれば、既燃ガスが吸気ポートへ吹き戻され、内部ＥＧＲが増加する。このように吸気弁の開閉タイミングを調整することでＥＧＲ量を調整できる。そこで本ステップでは、吸気弁の開閉タイミングとＥＧＲ量との相関をあらかじめマップ化しておき、そのマップに基づいて要求ＥＧＲ量に応じた吸気弁の開閉タイミングを設定する。

ステップＳ７２においてコントローラは、設定したＥＧＲ量が基準値ＥＧＲ１よりも大きいか否かを判定する。大きくなるまではステップＳ７３に処理を移行し、大きくなったらステップＳ７４へ処理を移行する。

ステップＳ７３においてコントローラは、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを強にする。

ステップＳ７４においてコントローラは、設定したＥＧＲ量が基準値ＥＧＲ２よりも大きいか否かを判定する。大きくなるまではステップＳ７５に処理を移行し、大きくなったらステップＳ７６へ処理を移行する。

ステップＳ７５においてコントローラは、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを中にする。

ステップＳ７６においてコントローラは、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを弱にする。

ステップＳ７７においてコントローラは、ＳＩモードで運転する。

図６は本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置の切替ゾーンＨＣＣＩモード運転ロジックのサブルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ８１においてコントローラは、運転状態に応じたＥＧＲ量になるように排気弁１２のバルブタイミングを設定する。

ステップＳ８２においてコントローラは、設定したＥＧＲ量が基準値ＥＧＲ３よりも小さいか否かを判定する。小さくなるまではステップＳ８３に処理を移行し、小さくなったらステップＳ８４へ処理を移行する。

ステップＳ８３においてコントローラは、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを弱にする。

ステップＳ８４においてコントローラは、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを強にする。

ステップＳ８５においてコントローラは、ＨＣＣＩモードで運転する。

図７は本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置のＨＣＣＩモード運転ロジックのサブルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ９１においてコントローラは、ＥＧＲ量としてＥＧＲ＿ＣＩを設定する。なおこのＥＧＲ＿ＣＩは、ＨＣＣＩモード運転で運転するときに好適なＥＧＲ量であり、あらかじめ実験を通じて設定されている。

ステップＳ９２においてコントローラは、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを弱にする。

ステップＳ９３においてコントローラは、ＨＣＣＩモードで運転する。

図９は、低負荷域内で負荷が変動したときの本発明の動作を説明する図である。

なお以下ではフローチャートとの対応が分かりやすくするために、フローチャートのステップ番号にＳを付して記載する。

低負荷域であって負荷が基準値Ｔ１よりも小さいときは、コントローラは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ４１→Ｓ４２→Ｓ４３と処理を進めて、ＥＧＲ量をＥＧＲ＿ＳＩにし(図９(Ｃ))、筒内ガスの流動レベルを強にして(図９(Ｄ))、ＳＩモードで運転する。

低負荷域であって負荷が基準値Ｔ１よりも大きくなったら、運転状態に応じてＥＧＲ量を設定する(図９(Ｃ))。そしてＥＧＲ量が基準値ＥＧＲ１よりも大きくなるまでは、コントローラは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７→Ｓ７１→Ｓ７２→Ｓ７３→Ｓ７７と処理を進め、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを強にし(図９(Ｄ))、ＳＩモードで運転する。

ＥＧＲ量が基準値ＥＧＲ１を越えたら、コントローラは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７→Ｓ７１→Ｓ７２→Ｓ７４→Ｓ７５→Ｓ７７と処理を進め、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを中にし(図９(Ｄ))、ＳＩモードで運転する。

さらにＥＧＲ量が基準値ＥＧＲ２を越えたら、コントローラは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７→Ｓ７１→Ｓ７２→Ｓ７４→Ｓ７６→Ｓ７７と処理を進め、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを弱にし(図９(Ｄ))、ＳＩモードで運転する。

そして低負荷域であって負荷が基準値Ｔ２よりも大きくなったら、コントローラは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ５→Ｓ９→Ｓ９１→Ｓ９２→Ｓ９３と処理を進めて、ＥＧＲ量をＥＧＲ＿ＣＩにし(図９(Ｃ))、筒内ガスの流動レベルを弱にし(図９(Ｄ))、ＨＣＣＩモードで運転する。

再び負荷が小さくなり基準値Ｔ２よりも小さくなったら、運転状態に応じてＥＧＲ量を設定する(図９(Ｃ))。そしてＥＧＲ量が基準値ＥＧＲ３を下回るまでは、コントローラは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ８→Ｓ８１→Ｓ８２→Ｓ８３→Ｓ８５と処理を進めて、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを弱にし(図９(Ｄ))、ＨＣＣＩモードで運転する。

ＥＧＲ量が基準値ＥＧＲ３を下回ったら、コントローラは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ８→Ｓ８１→Ｓ８２→Ｓ８４→Ｓ８５と処理を進め、筒内流動制御弁３２の開度を制御して筒内ガスの流動レベルを強にし(図９(Ｄ))、ＨＣＣＩモードで運転する。

さらに負荷が小さくなり基準値Ｔ１を下回ったら、コントローラは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ４１→Ｓ４２→Ｓ４３と処理を進めて、ＥＧＲ量をＥＧＲ＿ＳＩにし(図９(Ｃ))、筒内ガスの流動レベルを強にして(図９(Ｄ))、ＳＩモードで運転する。

このように本実施形態では、低負荷状態でＳＩモードからＨＣＣＩモードへ運転を切り替えるときには、負荷が大きくなるにつれてＥＧＲ量を多くするとともに筒内ガスの流動レベルを弱めてからＨＣＣＩモードへ切り替えるようにした。

ＥＧＲガスは高温なので、ＥＧＲ量が増えるほど筒内温度が高まる。また筒内ガスの流動が強いと、筒内ガスがシリンダ壁面から熱損失しやすくなり筒内ガスの熱が奪われやすくなるが、本実施形態では筒内ガスの流動レベルを弱めるようにしたので、筒内ガスの熱が奪われにくい。そのため図９(Ｂ)に示されているように、負荷が大きくなるにつれて筒内温度も大きくなる。このようにして筒内温度を十分に高めてからＳＩモード→ＨＣＣＩモードへ切り替えるので、ＨＣＣＩモードで運転するときの燃料の自着火性を確保できる。そのためＳＩモードからＨＣＣＩモードへスムーズに運転モードを切り替えることができる。

また低負荷状態でＨＣＣＩモードからＳＩモードへ運転を切り替えるときには、負荷が小さくなるにつれてＥＧＲ量を少なくするとともに、所定負荷のときのＥＧＲ量を境界にして筒内ガスの流動レベルを一気に強めるようにした。ＨＣＣＩモードで運転していると筒内ガスが高温化しやすい。筒内ガスが高温の状態でＳＩモードに切り替えると筒内温度が高すぎてノックを生じやすくなる。ところが本実施形態では、筒内ガスの流動を一気に強めることで、筒内温度が下がりその後ＨＣＣＩモードからＳＩモードへ切り替えるので、ＳＩモードで運転してもノックを生じることなくスムーズに運転モードを切り替えることができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば上記では、ＶＶＥＬ及びＶＴＣを使用して吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)を変更することで、内部ＥＧＲ量を調整するようにしたが、吸気弁及び排気弁の両方にＶＴＣを使用し、吸排気弁の開閉タイミングを変更することで、内部ＥＧＲ量を調整してもよい。

また吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを調整する機構としては、上述の機構に限らない。特開２００４−２５７３３１号公報のように電動アクチュエータを使用するもの、特開２０００−４５７３３号公報のように電磁コイルを使用するもの、カムシャフトにハイカム／ローカムの２種類のカム駒を設けたＶＶＬ(Variable Valve Lift and timing)、その他いずれの公知のものを用いてもよい。

さらに上記では、ＳＩモードからＨＣＣＩモードへ運転を切り替えるときに、筒内流動レベルを３段階で調整する場合を例示して説明したが、さらに多段階で調整してもよい。

さらにまた上記ではＥＧＲ量に応じて筒内流動を切り替える場合を例示して説明したが、ＳＩモード及びＨＣＣＩモードの運転切替時には図９(Ａ)にも示されているように空燃比(Ａ／Ｆ)も調整される。そこで空燃比(Ａ／Ｆ)に応じて筒内流動を切り替えてもよい。

また運転切替時のトルク段差を低減するために、あわせて点火時期を制御してもよい。

本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置の基本構成図である。 ＨＣＣＩモードとＳＩモードとを切り替えるエンジンの運転領域を説明する図である。 本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置の制御ロジックのメインルーチンを示すフローチャートである。 本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置のＳＩモード運転ロジックのサブルーチンを示すフローチャートである。 本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置の切替ゾーンＳＩモード運転ロジックのサブルーチンを示すフローチャートである。 本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置の切替ゾーンＨＣＣＩモード運転ロジックのサブルーチンを示すフローチャートである。 本発明によるエンジンの運転モード切替制御装置のＨＣＣＩモード運転ロジックのサブルーチンを示すフローチャートである。 動弁のバルブタイミングダイヤグラムの一例を示す図である。 低負荷域内で負荷が変動したときの本発明の動作を説明する図である。

符号の説明

１０ エンジン
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１３ 燃料噴射弁
１４ 点火プラグ
ステップＳ７，Ｓ８ 筒内流動調整手段／筒内流動調整工程
ステップＳ７１，Ｓ８１ 筒内ガス組成調整手段／筒内ガス組成調整工程

Claims (7)

1. 運転状態に応じて火花着火運転モードと圧縮着火運転モードとを切り替えるエンジンの運転モード切替制御装置であって、
   低負荷運転中に火花着火運転モードから圧縮着火運転モードに切り替えるときは筒内流動を弱め、圧縮着火運転モードから火花着火運転モードに切り替えるときは筒内流動を強める筒内流動調整手段を有する、
   ことを特徴とするエンジンの運転モード切替制御装置。
2. 前記筒内流動調整手段で筒内流動の強さを調整してから運転モードを切り替える運転モード切替手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの運転モード切替制御装置。
3. 低負荷運転中に火花着火運転モードから圧縮着火運転モードに切り替えるときにエンジンの運転状態に応じて筒内ガスの組成成分を調整する火花圧縮切り替え筒内ガス組成調整手段を備え、
   前記筒内流動調整手段は、低負荷運転中に火花着火運転モードから圧縮着火運転モードに切り替えるときは、筒内ガスの組成成分に応じて筒内流動の強さを調整する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの運転モード切替制御装置。
4. 低負荷運転中に圧縮着火運転モードから火花着火運転モードに切り替えるときにエンジンの運転状態に応じて筒内ガスの組成成分を調整する圧縮火花切り替え筒内ガス組成調整手段を備え、
   前記筒内流動調整手段は、低負荷運転中に圧縮着火運転モードから火花着火運転モードに切り替えるときは、筒内ガスの組成成分量が基準量を下回ったら筒内流動を一気に強める、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエンジンの運転モード切替制御装置。
5. 前記筒内ガス組成成分は、ＥＧＲガスである、
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のエンジンの運転モード切替制御装置。
6. 前記筒内ガス組成成分は、筒内ガスの空燃比である、
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のエンジンの運転モード切替制御装置。
7. 運転状態に応じて火花着火運転モードと圧縮着火運転モードとを切り替えるエンジンの運転モード切替制御方法であって、
   低負荷運転中に火花着火運転モードから圧縮着火運転モードに切り替えるときは筒内流動を弱め、圧縮着火運転モードから火花着火運転モードに切り替えるときは筒内流動を強める筒内流動調整工程を有する、
   ことを特徴とするエンジンの運転モード切替制御方法。

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