JP2012007504A

JP2012007504A - 内燃機関の制御方法

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Publication number: JP2012007504A
Application number: JP2010142229A
Authority: JP
Inventors: 秀樹 ▲高▼瀬; Hideki Takase
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: JP5631069B2

Abstract

【課題】予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との間の移行期間において燃焼を安定させる。
【解決手段】予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とのうち一方から他方への移行期間において、排気弁の開閉タイミングの進角量をセンシングして現在の進角量が前記一方の際の適合値から前記他方の際の適合値に向かってどの程度の割合変動したかを知得した上、吸気弁及び排気弁のバルブリフト量を、前記割合に基づき、前記一方の際の適合値と前記他方の際の適合値との間に内挿して得た補間値に操作する。そして、気筒内の混合気の空燃比をストイキに近づけるように燃料噴射量を増量補正し、かつ点火時期を遅角補正する。これにより、移行期間において緩慢な火花点火燃焼が行われ、ヘビーノックやプレイグ、失火が予防される。
【選択図】図３

Description

本発明は、気筒内の混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火燃焼と気筒内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火燃焼とを適宜切り替える内燃機関の制御方法に関する。

近時、気筒内の混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）燃焼を行うガソリンエンジンが開発されている（例えば、下記特許文献を参照）。予混合圧縮着火燃焼では、空燃比がリーンとなり、燃焼温度が低下してＮＯ_xの発生量が減少する。比較的高回転高負荷の運転領域や極低負荷の運転領域では火花点火（ＳＩ）燃焼とし、残余の運転領域では予混合圧縮着火燃焼とすることで、高出力性能を確保しつつ燃費の向上及びＮＯ_xの低減を図ることができる。

一般に、予混合圧縮着火燃焼時には、気筒内温度を高めて自己着火を促進するために、排気上死点の前後にかけて吸気弁と排気弁とをともに閉弁させる負のバルブオーバラップ期間を設け、気筒内に既燃ガスがより多く残留するようにしている。いわゆる内部ＥＧＲである。これに対し、火花点火燃焼時には、負のバルブオーバラップ期間を設けず、内部ＥＧＲガス量を減らして空燃比をストイキ制御する。

バルブオーバラップ量は、可変バルブタイミング機構を含む可変動弁装置によって操作する。可変バルブタイミング機構は、油圧（液圧）で駆動されることが一般的であり、バルブオーバラップ量の変更即ち吸気弁及び排気弁の開閉タイミングの変更にはタイムラグが存在する。

予混合圧縮着火燃焼から火花点火燃焼へと移行する際に、バルブオーバラップ量の変更が間に合わないと、内部ＥＧＲガス量が多い状態で火花点火することとなり、ヘビーノックやプレイグ（早期自着火）を引き起こす。逆に、火花点火燃焼から予混合圧縮着火燃焼へと移行する際に、バルブオーバラップ量の変更が間に合わないと、内部ＥＧＲガス量が少ない状態で圧縮自己着火を試みることとなり、失火を招く。

特開２００９−１９７６５３号公報

本発明は、予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との間の移行期間において燃焼を安定させることを所期の目的とする。

本発明では、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、気筒内の混合気に点火する点火プラグと、吸気弁及び排気弁の開閉タイミング及びバルブリフト量を変更し得る可変動弁装置とを備え、気筒内の混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火燃焼と気筒内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火燃焼とを運転領域に応じて切り替える内燃機関を制御するにあたり、予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とのうち一方から他方への移行期間において、吸気弁または排気弁の開閉タイミングの進角量をセンシングして現在の進角量が前記一方の際の適合値から前記他方の際の適合値に向かってどの程度の割合変動したかを知得した上、吸気弁及び排気弁のバルブリフト量を、前記割合に基づき、前記一方の際の適合値と前記他方の際の適合値との間に内挿して得た補間値に操作するとともに、前記移行期間の少なくとも一時期、気筒内の混合気の空燃比をストイキに近づけるように燃料噴射量を増量補正し、かつ点火時期を遅角補正することとした。

即ち、予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との間の移行期間において、緩慢な火花点火燃焼を行うように制御し、以てヘビーノックやプレイグ、あるいは失火を予防するようにしたのである。

本発明によれば、予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との間の移行期間において燃焼を安定させることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概要を示す図。運転領域と予混合圧縮着火燃焼／火花点火燃焼との関係を示す図。本実施形態の制御方法の内容を示すフローチャート。移行期間における排気弁の作動中心の進角量の変遷を示す図。移行期間における吸気弁の作動中心の進角量の変遷を示す図。移行期間における吸気弁のバルブリフト量の変遷を示す図。移行期間における排気弁のバルブリフト量の変遷を示す図。移行期間における目標空燃比の変遷を示す図。移行期間における点火時期の変遷を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態の制御方法の適用対象となる内燃機関０の概要を示す。内燃機関０は、車両等に搭載される三気筒（図１は、その一気筒の構成を示している）ガソリンエンジンであり、気筒１内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁２と、気筒１内の混合気に点火する点火プラグ３と、吸気弁４及び排気弁５の開閉タイミング及びバルブリフト量を変更し得る可変動弁装置６とを備えている。この内燃機関０は、予混合圧縮着火を実施するために、圧縮比を通常の火花点火のみを実施する内燃機関０と比べて高くしてある。

内燃機関０の吸気系には、アクセルペダルに応動して開閉するスロットル弁８を設けている。スロットル弁８の下流にはサージタンク７を配しており、吸入空気はサージタンク７から吸気ポートを介して気筒１内に吸入される。加えて、吸気系には、スロットル弁８を迂回する迂回路であるバイパス通路が存在している。このバイパス通路上には、アイドル時にバイパス通路を流通する空気量を制御するためのアイドルスピードコントロール弁１４を設けている。

燃料噴射弁２は、気筒１の燃焼室の天井に取り付けてある。

排気系には、燃焼室から排気ポートを介して排出される排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂センサ１０を設置している。また、排気系の配管には、排気ガス浄化用の三元触媒１１を装着してある。

可変動弁装置６は、吸気弁４及び排気弁５の開閉タイミングを前後させる可変バルブタイミング機構に、吸気弁４及び排気弁５のバルブリフト量を増減させる可変バルブリフト機構を組み合わせたものである。

可変バルブタイミング機構は、作動油圧により動作する機械式の既知のものであり、クランクシャフトに対するカムシャフト１２、１３の回転位相を前後させることを通じて、吸気弁４が全開となる作動中心及び排気弁５が全開となる作動中心を進角または遅角させることができる。吸気弁４の作動中心と排気弁５の作動中心とは機械的に連動しており、一方の作動中心の進角量が増大するほど、他方の作動中心の進角量は減少する。予混合圧縮着火燃焼時には、排気弁５の作動中心の進角量を増し（開閉タイミングを早め）、吸気弁４の作動中心の進角量を減らす（開閉タイミングを遅らせる）ことで、排気上死点の前後にかけて吸気弁４と排気弁５とがともに閉じる負のバルブオーバラップ期間を設ける。逆に、火花点火燃焼時には、排気弁５の作動中心の進角量を減らし、吸気弁４の作動中心の進角量を増すことで、排気上死点の前後にかけて吸気弁４と排気弁５とがともに開く正のバルブオーバラップ期間を設ける。

可変バルブリフト機構は、電動モータにより動作する機械式の既知のものであり、吸気弁４、排気弁５それぞれのバルブリフト量を個別に増減させることができる。油圧で駆動される可変バルブタイミング機構によるバルブオーバラップ量の操作が遅延するのと比較して、サーボモータで駆動される可変バルブ機構によるバルブリフト量の操作は速やかに行われる。

内燃機関０の運転制御を司る電子制御装置９は、中央演算装置９１と、記憶装置９２と、入力インタフェース９３と、出力インタフェース９４とを具備するマイクロコンピュータシステムを主体とする。

入力インタフェース９３には、クランクシャフトの回転角度（１０°ＣＡ単位）及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサ１５から出力される回転信号ａ、吸気カムシャフト１２側のタイミングセンサ１６から所定クランク角度（三気筒１エンジンでは、２４０°ＣＡ）間隔で出力される吸気カム信号ｂ、排気カムシャフト１３側のタイミングセンサ１７から所定クランク角度（２４０°ＣＡ）間隔で出力される排気カム信号ｃ及び所定クランク角度（７２０°ＣＡ）間隔で出力される気筒判別信号ｄ、スロットル弁８の開度を検出するスロットルポジションセンサ１８から出力されるスロットル開度信号ｅ、サージタンク７内の圧力を検出する圧力センサ１９から出力される吸気管内圧力信号ｆ、排気ガスの空燃比を検出するＯ₂センサ１０から出力される電圧信号ｇ等が入力される。

他方、出力インタフェース９４からは、燃料噴射弁２に対して燃料噴射信号ｈが、点火プラグ３に対して点火信号ｉが、可変バルブタイミング機構に対して開閉タイミング操作信号ｊが、可変バルブリフト機構に対してバルブリフト量操作信号ｋ等が、それぞれ出力される。

電子制御装置９は、記憶装置９２に予め格納されているプログラムを解釈、実行し、内燃機関０の制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇを取得し、これら情報に基づいて必要な燃料噴射量及び噴射時期、点火時期、吸気弁４及び排気弁５の開閉タイミング、並びに吸気弁４及び排気弁５のバルブリフト量を演算する。そして、演算結果に対応した各種制御信号ｈ、ｉ、ｊ、ｋを燃料噴射弁２、点火プラグ３、可変バルブタイミング機構及び可変バルブリフト機構に印加する。

より具体的には、スロットル開度信号ｅに基づく要求負荷とエンジン回転数とから、現在の運転領域［エンジン回転数，要求負荷］を判断し、その運転領域に応じて予混合圧縮着火燃焼を行うのか火花点火燃焼を行うのかを決定する。図２に、内燃機関０の運転領域と予混合圧縮着火／火花点火との関係を示す。図２に示している通り、比較的高回転高負荷の運転領域や極低負荷の運転領域Ａ１では火花点火燃焼を行い、残余の運転領域Ａ２では予混合圧縮着火燃焼を行う。また、運転領域（そして、予混合圧縮着火であるか火花点火であるか）に応じて、吸気弁４の作動中心の進角量、排気弁５の作動中心の進角量、吸気弁４のバルブリフト量、排気弁５のバルブリフト量を決定する。

その上で、エンジン回転数、吸気管内圧力、吸気弁４及び排気弁５の作動中心の進角量及びバルブリフト量等を参酌して、燃料噴射量即ち燃料噴射弁２の開弁時間を算出する。この燃料噴射量は、気筒１に吸入される吸気量及び内部ＥＧＲガス量に対応したものとなる。予混合圧縮着火時には、混合気が所要のリーン空燃比となるように燃料噴射量を算定する。火花点火時には、混合気がストイキ空燃比となるように燃料噴射量を算定する。

以降、予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とのうち一方から他方への移行期間に電子制御装置９が実行する処理手順を詳述する。なお、予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との間の移行期間においては、火花点火による緩慢燃焼を行う。

ここでは、予混合圧縮着火燃料から火花点火燃焼に切り替わる過渡期を例に述べる。図３に示すように、運転領域が遷移して予混合圧縮着火燃焼から火花点火燃焼へと移行する必要が生じた暁には（ステップＳ１）、まず、現在の運転領域に応じて、火花点火燃焼を行う際の吸気弁４及び排気弁５の作動中心の進角量、バルブリフト量を決定する（ステップＳ２）。電子制御装置９の記憶装置９２には予め、運転領域と、吸気弁４及び排気弁５の作動中心の進角量の適合値並びにバルブリフト量の適合値との関係を規定するマップデータが格納されている。ステップＳ２にて、電子制御装置９は、エンジン回転数及び要求負荷をキーとしてこのマップデータを検索し、具現するべき吸気弁４の進角量の適合値、排気弁５の進角量の適合値、吸気弁４のバルブリフト量の適合値、排気弁５のバルブリフト量の適合値を各々知得する。

次に、吸気弁４または排気弁５の作動中心の進角量をセンシングして、現在のその進角量が、遷移直前の運転領域に対応した適合値、換言すれば直前まで行われていた予混合圧縮着火燃焼時の値から、ステップＳ２にて知得した火花点火燃焼時の適合値に向かって、どの程度の割合変動したかを演算する（ステップＳ３）。特に、本実施形態では、回転信号ａ及び排気カム信号ｃを参照して、排気弁５の作動中心の進角量の現在値をセンシングする。これは、排気弁５の開閉タイミングこそが内部ＥＧＲガス量に最も多大な影響を与えることによる。ステップＳ３では、図４に示すように、予混合圧縮着火燃焼時の排気弁５の進角量の適合値Ｂ１と、火花点火燃焼時の排気弁５の進角量の適合値Ｂ２との間を複数の区間に等分（図示例では、十等分）し、センシングした現在値が何れの区間に属しているのかを判断する。図４に則して述べると、排気弁５の進角量の現在値が３０°ＣＡであるとき、これは十等分した区間のうちの第五区間に属しており、つまりは火花点火燃焼時の適合値に向かって五割方まで変動したと言うことができる。

因みに、本実施形態における内燃機関０では、排気弁５の作動中心の進角量と吸気弁４の作動中心の進角量とは連関している。従って、排気弁５の進角量が火花点火燃焼時の適合値に向かって五割方まで変動したとき、吸気弁４の進角量もまた火花点火燃焼時の適合値に向かって五割方まで変動している。図５に示すように、予混合圧縮着火燃焼時の吸気弁４の進角量の適合値Ｃ１と、火花点火燃焼時の吸気弁４の進角量の適合値Ｃ２との間を十等分すると、排気弁５の進角量の現在値が３０°ＣＡであるとき、吸気弁４の進角量の現在値は、十等分した区間のうちの第五区間の値、即ち３２．５°ＣＡの値をとっていることになる。

続いて、ステップＳ３にて知得した、吸気弁４または排気弁５の進角量の変動の割合に基づいて、吸気弁４及び排気弁５のバルブリフト量の各々の制御値を算定する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、図６に示すように、予混合圧縮着火燃焼時の吸気弁４のバルブリフト量の適合値Ｄ１と、火花点火燃焼時の吸気弁４のバルブリフト量の適合値Ｄ２との間を複数の区間に等分（図示例では、十等分）し、吸気弁４または排気弁５の進角量の現在値が属している区間に対応したバルブリフト量を、両適合値Ｄ１、Ｄ２間に内挿して求める。図６に則して述べると、排気弁５の進角量の現在値が３０°ＣＡであるとき、吸気弁４のバルブリフト量の制御値は、両適合値Ｄ１、Ｄ２間を十等分した区間のうちの第五区間における補間値、即ち３９．７となる。

排気弁５のバルブリフト量の制御値についても同じであり、図７に示すように、予混合圧縮着火燃焼時の排気弁５のバルブリフト量の適合値Ｅ１と、火花点火燃焼時の排気弁５のバルブリフト量の適合値Ｅ２との間を十等分した区間のうちの第五区間における補間値、即ち５８．８を、排気弁５のバルブリフト量の制御値とする。

しかして、吸気弁４及び排気弁５の各々のバルブリフト量を、ステップＳ４にて算定した制御値に操作する（ステップＳ５）。サーボモータで駆動される可変バルブ機構の動作は十分に高速であり、吸気弁４、排気弁５のバルブリフト量は即時的にそれぞれの制御値に到達する。

その上で、ステップＳ３を通じて知得した吸気弁４及び排気弁５の進角量の現在値と、ステップＳ４を通じて知得した吸気弁４及び排気弁５のバルブリフト量の制御値（これは現在値と見なすことができる）とを参酌して、燃料噴射量を演算する（ステップＳ６）。図８に、ステップＳ６の演算にあたり、達成するべき混合気の空燃比の目標を示す。（吸気弁４及び排気弁５の進角量が運転領域に応じた適合値をとっている）完全な予混合圧縮着火燃料時における目標空燃比は、所要のリーン値である。翻って、（吸気弁４及び排気弁５の進角量が運転領域に応じた適合値をとっている）完全な火花点火燃焼時における目標空燃比は、ストイキ値またはこれに近い値である。予混合圧縮着火燃焼から火花点火燃焼へと移行する期間、目標空燃比は、前者のリーン値から後者のストイキ値またはこれに近い値に向かって変動する。

但し、本実施形態では、予混合圧縮着火燃焼から火花点火燃焼へと移行する期間のうちの一時期において、目標空燃比を敢えてストイキ値またはこれに近い値に設定している。図８に示す例では、完全な予混合圧縮着火燃料時と、完全な火花点火燃焼時との間の期間を十等分した場合の、完全な予混合圧縮着火燃料時から二割ないし五割（または、六割）の時期において、目標空燃比を空燃比ストイキまたはこれに近い値としている。ステップＳ６にて、電子制御装置９は、ステップＳ３にて知得した吸気弁４または排気弁５の進角量の変動の割合に基づいて目標空燃比を決定した上、気筒１に吸入される吸気量及び内部ＥＧＲガス量に対して、当該目標空燃比を達成できるような燃料噴射量を算定する。既に述べた通り、完全な予混合圧縮着火燃料時から二割ないし五割（または、六割）の時期においては、混合気の空燃比をストイキ値またはこれに近い値とするべく、燃料噴射量を増量する。

また、ステップＳ６と相前後して、点火時期を演算する（ステップＳ７）。点火時期は、基本的に圧縮上死点よりも遅らせる遅角制御とする。図９に示すように、予混合圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への移行の開始直後の時期には、点火時期を徐々に遅らせる。この点火時期の遅角量は、燃料噴射量を増量する時期、即ち完全な予混合圧縮着火燃料時から二割ないし五割（または、六割）の時期に極大値をとる。その後、燃料噴射量の増量補正時期の終了とともに、点火時期を徐々に早める。完全な火花点火燃焼に移行したとき、点火時期はエンジン回転数等に応じた適合値となる。ステップＳ７にて、電子制御装置９は、ステップＳ３にて知得した吸気弁４または排気弁５の進角量の変動の割合に基づいて点火時期の遅角量を決定する。

以上に述べたステップＳ３ないしＳ７は、火花点火燃焼に完全移行するまで反復される（ステップＳ８）。

火花点火燃焼から予混合圧縮着火燃焼へと移行する際の処理手順も、上述した予混合圧縮着火燃焼から火花点火燃焼へと移行する際のそれと同様である。ちょうど、図４ないし図９を、左から右へと見てゆくように考えればよい。

本実施形態では、気筒１内に燃料を噴射する燃料噴射弁２と、気筒１内の混合気に点火する点火プラグ３と、吸気弁４及び排気弁５の開閉タイミング及びバルブリフト量を変更し得る可変動弁装置６とを備え、気筒１内の混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火燃焼と気筒１内の混合気に点火プラグ３により点火する火花点火燃焼とを運転領域に応じて切り替える内燃機関０を制御するにあたり、予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とのうち一方から他方への移行期間において、吸気弁４または排気弁５の開閉タイミングの進角量をセンシングして現在の進角量が前記一方の際の適合値から前記他方の際の適合値に向かってどの程度の割合変動したかを知得した上、吸気弁４及び排気弁５のバルブリフト量を、前記割合に基づき、前記一方の際の適合値と前記他方の際の適合値との間に内挿して得た補間値に操作するとともに、前記移行期間の少なくとも一時期、気筒１内の混合気の空燃比をストイキに近づけるように燃料噴射量を増量補正し、かつ点火時期を遅角補正することとしたため、予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との間の移行期間において緩慢な火花点火燃焼が行われ、ヘビーノックやプレイグ、あるいは失火が予防される。

本実施形態により、予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との切り替えを安定して行い得るようになることから、予混合圧縮着火燃焼を行う領域を拡大、換言すれば予混合圧縮着火燃焼に対する制限を引き下げることができる。従って、予混合圧縮着火燃焼の機会が増大して、燃費及びエミッションが一層改善する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成や処理の手順等は、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。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。

０…内燃機関
１…気筒
２…燃料噴射弁
３…点火プラグ
４…吸気弁
５…排気弁

Claims

気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、気筒内の混合気に点火する点火プラグと、吸気弁及び排気弁の開閉タイミング及びバルブリフト量を変更し得る可変動弁装置とを備え、気筒内の混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火燃焼と気筒内の混合気に点火プラグにより点火する火花点火燃焼とを運転領域に応じて切り替える内燃機関の制御方法であって、
予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とのうち一方から他方への移行期間において、
吸気弁または排気弁の開閉タイミングの進角量をセンシングして現在の進角量が前記一方の際の適合値から前記他方の際の適合値に向かってどの程度の割合変動したかを知得した上、
吸気弁及び排気弁のバルブリフト量を、前記割合に基づき、前記一方の際の適合値と前記他方の際の適合値との間に内挿して得た補間値に操作するとともに、
前記移行期間の少なくとも一時期、気筒内の混合気の空燃比をストイキに近づけるように燃料噴射量を増量補正し、かつ点火時期を遅角補正する
ことを特徴とする内燃機関の制御方法。