JP3840849B2 - 自己着火内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転領域に応じて火花点火運転と自己着火運転とを切り替える自己着火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自己着火運転領域を有する内燃機関としては、例えば以下のようなものがある。
２サイクル型の火花点火式内燃機関の分野では、部分負荷時における燃焼不安定を解消すると共に、ＨＣ（未燃炭化水素）排出量の低減を図るために、燃焼室内における自己着火燃焼を積極的に利用した技術が提案されている。例えば、特開平７−７１２７９号公報には、低負荷時に排気通路の一部を遮断することによってシリンダ内の残留ガス濃度を高めて、圧縮行程開始時のシリンダ内圧や温度を高め、自己着火の燃焼時期を制御する技術が開示されている。
【０００３】
自己着火燃焼を安定して起こさせるには、圧縮上死点付近で作動ガスの温度と圧力があるレベル以上になる必要がある。その手段として、上記従来例のようにＥＧＲガスの大量使用と高圧縮比化とを併用したり、単に圧縮比を高めることにより、筒内温度と筒内圧力とがあるレベル以上となるような燃焼パラメータをあらかじめ定め、負荷に応じてそのパラメータになるように制御を行っている。
【０００４】
一般的に、自己着火燃焼は、空燃比の濃い負荷の高い方はノッキングが限界であり、空燃比が薄く負荷の低い方は自己着火が不安定となる安定度の点で限界がある。この両者の間が自己着火運転可能な領域である。
【０００５】
この運転可能な領域を広げるために、燃焼パラメータが変更される。例えば、高負荷側でもノッキングしないようにするには、温度や圧力を下げる方向にパラメータが変更される。例えば、従来例では、高負荷側の運転領域拡大のために排気通路の絞りを少し開けて残留ガス量を減らす。また、低負荷側への運転領域の拡大には排気通路の絞りを絞って残留ガス量を増やしている。これらはあらかじめ定められた負荷に対して、あらかじめ定められたパラメータ量の設定となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の自己着火燃焼をする火花点火式内燃機関にあっては、内燃機関使用過程におけるデポやすすの燃焼室への堆積により問題が生じる。
【０００７】
デポやすすが燃焼室の壁面に堆積するとノッキングが生じ易くなり、要求オクタン価が上がる（ＳＡＥ Ｔｒａｎｓ Vol.64, p.76, 1956）。このため、あらかじめ定められた燃焼パラメータ、例えば従来例では排気通路の絞りの度合いであり、一般的な自己着火燃焼では、空燃比やＥＧＲ量、圧縮比などがパラメータであるが、それがそのままですすやデポの堆積がおきると、エンジンがノッキングをおこす可能性がある。ノッキングが起きると、その騒音により運転者や同乗者が不快であるばかりか、エンジンへの熱伝達が大きくなりエンジンが熱的に悪影響を受けたり、ノッキングに伴う大きな圧力振動により機械的振動を増幅する可能性がある。
【０００８】
また、エンジン使用過程を模擬してデポやすすが堆積した状態での、空燃比と発生トルクの関係から、あらかじめエンジンの制御パラメータを定めるようにすると、工場から出荷されるような新品の状態ではデポやすすが堆積していないため、自己着火は生じにくく、エンジンの燃焼が不安定になり、そのままでは工場から出荷ができない状態となる可能性がある。
【０００９】
このように、従来例では、デポやすすが堆積するとノッキングが生じてしまうという構成となっていたため、ノッキングが生じることによる騒音が不快であるばかりか、熱的な負荷増大によるエンジン劣化や、機械的な圧力負荷増大によるエンジン劣化が生じる可能性があるという問題点があった。
【００１０】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、燃焼室内にデポやすすが堆積すると自己着火運転領域がリーン側にシフトする現象に加えて、その時の自己着火運転可能領域の空燃比幅は変わらないという発明者が新たに発見した特徴ある現象により、デポやすすが堆積したかどうかを検知し、その検知結果によりエンジンの自己着火燃焼パラメータをリーン側にシフトするようなパラメータ制御をおこなう構成とすることにより、上記問題点を解決した自己着火内燃機関を提供することを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、少なくとも一部の運転領域で自己着火燃焼をおこなう自己着火内燃機関において、自己着火燃焼運転中に内燃機関が定常運転状態と判断された場合に、自己着火を制御する複数の燃焼パラメータのうち少なくとも一つを変化させて、自己着火燃焼が可能な領域の両端部であるノッキング限界及び燃焼安定度限界を検出し、該領域の大きさや位置に応じて、燃焼パラメータの設定値を変更することを要旨とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、少なくとも一部の運転領域で自己着火燃焼をおこなう自己着火内燃機関において、自己着火燃焼運転中に内燃機関が定常運転状態と判断された場合に、自己着火を制御する複数の燃焼パラメータのうち少なくとも一つを変化させて自己着火燃焼が可能な領域の両端部であるノッキング限界及び燃焼安定度限界における前記燃焼パラメータの値を検出し、該燃焼パラメータ値の幅が所定の幅とほぼ等しく、かつ、自己着火を抑制する側に燃焼パラメータの値が変化している場合に、その変化代により燃焼パラメータの設定値を変更することを要旨とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、少なくとも一部の運転領域で自己着火を行う自己着火内燃機関において、ノッキングが検出された場合にその時の燃焼パラメータを記憶し、定常状態であればその際、あるいは定常状態でなければその後同等の運転領域になった場合、該燃焼パラメータを変化させてノッキング限界と失火限界の燃焼パラメータを検出し、ノッキングと失火の両者の限界をもたらす燃焼パラメータの幅を算出し、その幅があらかじめ定められた幅とほぼ等しい場合に、ノッキング限界の燃焼パラメータとノッキングが検出された燃焼パラメータの差異をもって、燃焼パラメータの設定値を変更することを要旨とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項３記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、燃料噴射量であり、その変化代で空燃比設定値を変更することを要旨とする。
【００１７】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた期間であるマイナスＯ／Ｌ（オーバラップ）期間の長さであり、その変化代を空燃比に換算して、空燃比設定値を変更することを要旨とする。
【００１８】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた期間であるマイナスＯ／Ｌ期間中に燃料噴射する補助噴射量であり、その変化代を吸気行程又は圧縮行程中の主噴射の空燃比に換算して、主噴射の設定値を変更することを要旨とする。
【００１９】
請求項７記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、マイナスＯ／Ｌ期間中に燃料噴射する補助噴射の噴射時期であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更することを要旨とする。
【００２０】
請求項８記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、可変圧縮比機構による圧縮比であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更することを要旨とする。
【００２１】
請求項９記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、外部ＥＧＲ量であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更することを要旨とする。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、少なくとも一部の運転領域で自己着火燃焼をおこなう自己着火内燃機関において、自己着火燃焼運転中に内燃機関が定常運転状態と判断された場合に、自己着火を制御する複数の燃焼パラメータのうち少なくとも一つを変化させて、自己着火燃焼が可能な領域の両端部であるノッキング限界及び燃焼安定度限界を検出し、該領域の大きさや位置に応じて、燃焼パラメータの設定値を変更するようにしたので、加速時や減速時の運転状態変化による燃焼パラメータの動的変化に影響されずに、自己着火燃焼可能領域を正確に検出して、出荷初期から運転性や騒音振動特性を良好な状態にできるとともに、粗悪な燃料などを使用して燃焼室内にデポやすすが堆積した場合においても、すみやかに空燃比などの設定を変更できるので、運転性や騒音振動を良好な状態に維持すると共に、ノッキングの発生による熱的や機械的なエンジンの劣化を防止できるという効果がある。
【００２３】
請求項２記載の発明によれば、少なくとも一部の運転領域で自己着火燃焼をおこなう自己着火内燃機関において、自己着火燃焼運転中に内燃機関が定常運転状態と判断された場合に、自己着火を制御する複数の燃焼パラメータのうち少なくとも一つを変化させて、自己着火燃焼が可能な領域の両端部であるノッキング限界及び燃焼安定度限界を検出するとともに、これら両端部における前記燃焼パラメータの値を検出し、該燃焼パラメータ値の幅が所定の幅とほぼ等しく、かつ、自己着火を抑制する側に燃焼パラメータの値が変化している場合に、その変化代により燃焼パラメータの設定値を変更するようにしたので、加速時や減速時の運転状態変化による燃焼パラメータの動的変化に影響されずに、自己着火燃焼可能領域を正確に検出する効果があるとともに、内燃機関の燃焼室にデポやすすが堆積しても、ノッキングが起こらず、騒音や振動、熱的機械的なエンジンの劣化を防止できるという効果が得られる。
【００２６】
請求項３記載の発明によれば、少なくとも一部の運転領域で自己着火を行う自己着火内燃機関において、ノッキングが検出された場合にその時の燃焼パラメータを記憶し、定常状態であればその際、あるいは定常状態でなければその後同等の運転領域になった場合、該燃焼パラメータを変化させてノッキング限界と失火限界の燃焼パラメータを検出し、ノッキングと失火の両者の限界をもたらす燃焼パラメータの幅を算出し、その幅があらかじめ定められた幅とほぼ等しい場合に、ノッキング限界の燃焼パラメータとノッキングが検出された燃焼パラメータの差異をもって、燃焼パラメータの設定値を変更するようにしたので、ノッキングの再発を防止し、内燃機関の燃焼室にデポやすすが堆積していても熱的機械的なエンジンの劣化を防止できるという効果が得られる。
【００２７】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、燃料噴射量であり、その変化代で空燃比設定値を変更するようにしたので、燃料噴射量の簡単な制御のみで内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００２８】
請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた期間であるマイナスＯ／Ｌ期間の長さであり、その変化代を空燃比に換算して、空燃比設定値を変更するようにしたので、自己着火燃焼可能領域の検出にマイナスＯ／Ｌ期間の長さを利用して、内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００２９】
請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた期間であるマイナスＯ／Ｌ期間中に燃料噴射する補助噴射量であり、その変化代を吸気行程又は圧縮行程中の主噴射の空燃比に換算して、主噴射の設定値を変更するようにしたので、補助噴射量及び主噴射量の簡単な制御のみで内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００３０】
請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、マイナスＯ／Ｌ期間中に燃料噴射する補助噴射の噴射時期であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更するようにしたので、補助噴射の噴射時期と主噴射量の簡単な制御のみで内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００３１】
請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、可変圧縮比機構による圧縮比であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更するようにしたので、自己着火燃焼可能領域の検出に可変圧縮比機構を利用して、内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００３２】
請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、外部ＥＧＲ量であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更するようにしたので、自己着火燃焼可能領域の検出に外部ＥＧＲ量制御を利用して、内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００３３】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る自己着火内燃機関の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【００３４】
図１において、自己着火内燃機関は、少なくとも一本の吸気ポート１と、吸気ポート１の下流で燃焼室９の入口に位置する吸気弁２と、点火プラグ３と、少なくとも一本の排気ポート８と、排気ポート８の上流で燃焼室９の出口に位置する排気弁５と、燃焼室９内に直接ガソリン等の燃料を噴射する燃料噴射弁６と、ノッキングを検出するノックセンサと、クランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ８と、エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと略す）１０と、吸気弁２を駆動する吸気カム１１と、排気弁５を駆動する排気カム１２と、吸気カム１１の作動タイミング及びリフト量を可変とする吸気カム作動可変機構１３と、排気カム１２の作動タイミング及びリフト量を可変とする排気カム作動可変機構１４とが設けられている。
【００３５】
ＥＣＵ１０は、ノッキングセンサ７の出力に基づいてノッキング限界を検出するノッキング限界検出部２１と、クランク角センサ８の出力に基づいて安定度限界を検出する安定度限界検出部２２と、ノッキング限界と安定度限界とに基づいて自己着火可能領域を検出する自己着火可能領域検出部２３と、燃焼パラメータ変更制御部２４と、運転状態に応じた燃焼パラメータを予め記憶するとともに、燃焼パラメータ変更制御部２４による書換が可能な燃焼パラメータ設定値記憶部２５と、燃料噴射弁の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグからの点火時期、吸気カム作動可変機構１３による吸気弁２の開閉時期及びリフト量、排気カム作動可変機構１４による排気弁５の開閉時期及びリフト量を燃焼パラメータとして出力する燃焼パラメータ出力部２６と、を備えている。
【００３６】
吸気弁２および排気弁５は、それぞれＥＣＵ１０により、吸気カム作動可変機構１３、排気カム作動可変機構１４を介してそれぞれ開閉時期及びリフト量を制御可能な構成とすることで、機関の低中負荷域では実質的な圧縮比の変更、ＥＧＲ量などを制御して、圧縮上死点付近で自己着火が可能な高温、高圧状態を実現できる構成としている。
【００３７】
また吸気ポート１の上流には、図示しない空気量調整用スロットルと、吸気量測定用エアフローメーターと、エアクリーナーと配管からなる吸気系が設けられている。また、燃焼室１に直接燃料を噴射する燃料噴射弁６が設けられておりＥＣＵ１０により噴射タイミング、噴射回数、噴射量の制御が可能となっている。更に、燃焼室１に放電電極が突出するように点火プラグ３が設けられており、ＥＣＵ１０により点火プラグ３への放電タイミングを制御している。
【００３８】
図２は、吸気カム作動可変機構１３及び排気カム作動可変機構１４による吸気弁及び排気弁の作動期間を説明するバルブタイミング・ダイアグラムである。
【００３９】
通常の火花点火運転時には、図２（ａ）に示すように、排気上死点付近で吸気弁と排気弁のバルブオーバラップをもち、吸気充填効率を高めるため吸気弁の閉時期は下死点よりもおそく、圧縮比はノッキングしない程度、例えば１０程度に設定される。
【００４０】
自己着火運転時には、図２（ｂ）に示すように、吸気弁と排気弁の作動期間とリフト量の制御により、排気弁を排気行程の途中で閉じてしまい、吸気弁の開時期を上死点よりも遅くして、吸排気弁が共に閉じた密閉期間、いわゆるマイナスオーバラップ（マイナスＯ／Ｌ）を設けて、排気ガスの一部をシリンダ内にとどまらせて、上死点付近で圧縮膨張させ、シリンダ内圧力が吸気ポート圧力程度になったときに吸気弁を開けて新しい空気をシリンダ内に吸入する。これにより、新しい空気はその一つ前のサイクルの残留ガスにより加熱される。
【００４１】
同時に、吸気弁の閉じる時期は、下死点付近とされ、このエンジンの有効圧縮比が最大となるようになっているため、新しい空気は残留ガスでも加熱されるとともに、圧縮比が高く取れるので、上死点付近での温度と圧力が自己着火を安定的に起こされるようなレベルに達することが可能となる。
【００４２】
燃料噴射弁６は、図１ではシリンダ内に直接噴射するもののみが記載されている。しかし、これに加えて、吸気ポートにもさらに他の噴射弁を設ける構成も可能であり、本発明においてはどちらでもよい。都合上、直接噴射の例で説明する。
【００４３】
点火プラグ３、燃料噴射弁６、吸気カム作動可変機構１３、および、排気カム作動可変機構１４の制御は、ＥＣＵ１０の燃焼パラメータ出力部２６からの信号に基づいて制御される。また、ＥＣＵ１０には、例えば図示しない、エンジン回転数、アクセルペダル開度、などの信号を入力し、機関負荷及び機関回転数に従って、図３に示すような自己着火領域の判別を行う。
【００４４】
また、ＥＣＵ１０には、吸気弁２や排気弁５の作動をモニタする図示しない弁作動モニタからの信号が入力され、例えば、吸気バルブの閉時期からサイクル毎の有効圧縮比の算出、吸気バルブの開時期と排気バルブの閉時期から、オーバラップ量の算出と内部ＥＧＲガス量の算出を行う。また、吸気カム作動可変機構１３、および、排気カム作動可変機構１４のアクチュエータは、例えば油圧や、電動モータなどが用いられる。
【００４５】
さらに、エンジンにはノッキングを検知するノッキングセンサ７が設けられている。さらに、エンジンの燃焼安定度を検知するクランク角センサ８がクランク軸に設けられ、ある気筒で燃焼不安定や失火が生じると、それによる回転の不安定をエンジンクランク軸の回転速度の変化として検知する。この２つのセンサにより、ノッキング限界と燃焼安定度限界の検知を行う構成となっている。
【００４６】
自己着火燃焼をする運転領域は、図３に示すように、低回転低負荷である部分負荷領域である。それ以外の領域は、火花点火運転を行う。
また、直接噴射の場合、図４に示すように、マイナスＯ／Ｌ期間中に補助燃料噴射を行うことにより、内部ＥＧＲガス中に噴射された燃料が排気上死点付近で高圧、高温に曝されて改質され、自己着火が促進できる例を示す。
【００４７】
次に作用を説明する。
図５には、デポやすすの堆積の有無による、空燃比と発生トルクの関係の一例を示す。デポやすすの堆積が無い場合は、Ａ−Ｂ線で示すように、空燃比が薄い側で安定度（失火）限界、空燃比が濃い側でノッキング限界により制限される領域内で自己着火が起こる。一方吸気圧力やＥＧＲガス量などの燃焼パラメータがそのままで、燃焼室内にデポやすすが堆積した状態になると、Ａ’−Ｂ’線で示すように、自己着火領域がリーン側にシフトする。この際２つの特徴がある。
【００４８】
第１の特徴は、自己着火領域の成立する空燃比の幅は、デポやすすの堆積の有無によらずほぼ等しいという点である。この点を利用して、自己着火可能領域の両端部における燃焼パラメータの値の幅が一定であるかどうかで、デポやすすの堆積によるものかどうかを判定できる。
【００４９】
第２の特徴は、成立する自己着火の発生トルクは、空燃比がリーン側にシフトするにもかかわらず、ほぼ等しいという点である。これは、デポやすすが堆積すると、自己着火が起こりやすくなり、リーンな空燃比でも燃焼が活発化して未燃の燃料が減少するためである。従って、デポやすすが堆積したときは、同一の負荷要求に対して対応する空燃比を薄くするように補正する必要があることがわかる。
【００５０】
次に図６ないし図１０を参照して、自己着火領域幅の検知手法、すなわち、ノッキング限界と安定度限界の間の自己着火燃焼可能領域幅の検出例を示す。いずれの判定も、定常運転状態で燃料噴射量がほぼ一定の状態で行う場合を示す。それ以外の場合は、後述する。
【００５１】
図６には、燃焼パラメータとしてマイナスＯ／Ｌ量（マイナスＯ／Ｌ期間の長さ）を変化させ、自己着火可能領域をノッキング限界と安定度限界となるマイナスＯ／Ｌ量の幅で検知するものである。マイナスＯ／Ｌ量を変化させると、内部ＥＧＲ量が変化しシリンダ内の温度が大きく変化するので、主に温度により自己着火領域幅が検知できる。マイナスＯ／Ｌ量が多くなると前サイクルの高温の既燃ガスがより多く閉じ込められ次のサイクルの新気と混合するので、次のサイクルの混合気温度が上昇し、自己着火しやすくなり、マイナスＯ／Ｌ量が多すぎるとノッキングが発生する。しかし、マイナスＯ／Ｌ量の変化速度は動弁系の応答性によっている。
【００５２】
図７には、燃焼パラメータとしてマイナスＯ／Ｌ中の補助噴射量を変化させ、自己着火領域の幅を検知する例を示す。補助噴射は主噴射の自己着火を促進するためのものであり、補助噴射量の多少は、エンジンの発生トルクにはあまり影響しない。補助噴射量が多いとノッキングしやすく、少ないと自己着火しにくく、安定度が低下して失火しやすい。補助噴射量の制御はインジェクタの応答性によるため、サイクル毎の応答性が良い反面、補助噴射量がゼロの状態でも自己着火が安定して起こる領域もあるため、安定度限界側の検出を確実に行うためには、判定領域の制限が必要となる。
【００５３】
図８には、燃焼パラメータとしてマイナスＯ／Ｌ中の補助噴射の時期を変化させ、自己着火領域の幅を検知する例を示す。補助噴射があまり早すぎたり遅すぎると自己着火を促進する効果がなくなるので、安定度が低下し失火しやすくなる。マイナスＯ／Ｌ中の補助噴射の時期には自己着火が最も促進される最適時期がある。この場合、補助噴射が無くとも安定して自己着火が起こる運転領域があったり、逆に最も自己着火を促進するタイミングでも補助噴射量が少なくノッキングが起こらない場合もあるので、補助噴射の量や自己着火燃焼可能領域の判定を行う運転領域が制限される。
【００５４】
図９には、例えばバルブタイミングを可変として圧縮比を可変とする可変圧縮比機構付きの場合に、燃焼パラメータとして圧縮比を変化させて自己着火可能領域を検出する例を示す。この場合、圧縮比のみを変化させることにより自己着火領域の幅を検知できる。圧縮比が高いとノッキングしやすくなりノッキング限界が検出できる。逆に圧縮比が低いと安定度が低下し失火しやすくなるので安定度限界が検出できる。これより自己着火燃焼可能な領域幅が検知できる。しかし負荷によっては圧縮比が高くともノッキングしない場合もあり、検知する運転領域が制限される。また、応答性は可変圧縮比機構の応答速度による。
【００５５】
図１０には、燃焼パラメータとして外部ＥＧＲバルブの開度を変化させて、自己着火可能領域を検知する例を示す。ＥＧＲバルブが開くとＥＧＲ量が増え、混合気の温度が上がり自己着火しやすくなりノッキングしやすくなる一方、ＥＧＲ量が減少すると混合気の温度が下がり自己着火しにくくなり失火しやすくなる。この手段では応答性がサイクル毎ではないことと、ＥＧＲガスの温度によりノッキングに到らない場合があり、またＥＧＲガス量が多いと逆に燃焼を緩慢にする作用もあることから、ノッキング限界を明確に得るためには、自己着火燃焼可能領域判定の運転領域に制限が加わるものと考えられる。
【００５６】
これらの燃焼パラメータのみを変更することで、自己着火可能領域、言い換えれば自己着火燃焼の成立する範囲が検知でき、自己着火燃焼の成立する燃焼パラメータの幅が所定の幅でありかつ、自己着火燃焼が成立する燃焼パラメータの範囲がリーン側にシフトしている場合に、燃焼室内にデポやすすが堆積しているとみなすことができる。燃焼パラメータが空燃比の場合には、そのリーン側へのシフト量だけあらかじめ定められた負荷に対する空燃比マップなどを変更する。
【００５７】
空燃比以外の燃焼パラメータを変更して自己着火燃焼可能領域を検出し、燃焼パラメータの幅が所定の幅にほぼ一致するとともに、自己着火可能な燃焼パラメータの範囲が自己着火燃焼を促進する側、又はリーン側にシフトした場合には、そのリーン側へのシフト量を、空燃比換算するのは、あらかじめ定められた燃焼パラメータと空燃比感度マップから計算する。
【００５８】
図１１は、自己着火燃焼の定常運転時に、燃焼パラメータを変化させて自己着火可能領域を検出し、自己着火可能領域の両端における燃焼パラメータ幅に基づいて、燃焼室にデポやすすの堆積による自己着火可能領域のシフトか否かを判定し、そうであれば、空燃比マップを変更する動作を説明するフローチャートである。
【００５９】
図１１において、まず自己着火運転中に運転状態が定常状態かどうかを判定し（ステップ１０、以下ステップをＳと略す）、定常状態でなければ何もせずに終了する。定常状態であれば、燃焼パラメータを設定値の周りで変更し（Ｓ１２）、ノッキング限界が検出される燃焼パラメータ設定値及び安定度（失火）限界が検出される燃焼パラメータ設定値を検出することにより、自己着火燃焼可能領域の両端部を検出する（Ｓ１４）。
【００６０】
次いで、ノッキング限界が検出される燃焼パラメータ設定値と安定度（失火）限界が検出される燃焼パラメータ設定値との差分を算出することにより、自己着火領域幅を算出する（Ｓ１６）。そして、この自己着火領域幅と予め定められた幅とを比較し（Ｓ１８）、これらがほぼ等しければ（Ｓ２０）、自己着火領域全体が自己着火促進側にシフトしたかどうかを判定する（Ｓ２４）。
【００６１】
Ｓ２４の判定でＹｅｓであれば、予め記憶した燃焼パラメータと空燃比感度マップを参照して自己着火領域のシフト量を空燃比に換算して算出し（Ｓ２６）、機関負荷などに対する空燃比マップを前記シフト量分だけ変更して、図１の燃焼パラメータ設定値記憶部２５に記憶させて（Ｓ２８）、処理を終了する。
【００６２】
Ｓ１８の比較において、幅が所定以上異なれば、燃焼室にデポやすすが堆積したことによる変化ではないと判定し、何もせずに終了する。
【００６３】
また、このような自己着火の可能な燃焼パラメータの領域を常時検出して検討するのではなく、あらかじめ設定された燃焼パラメータで運転中に、ノッキング限界以上にノッキングが検出されたときに、初めて自己着火可能領域の検出および燃焼パラメータ設定値の変更を行うことが考えられる。
【００６４】
この場合、ノッキングが検出された運転状態が定常とみなせるときはもちろん、前記のように定常状態の燃料噴射量一定の場合でなくても、ノッキングを起こした運転状態の設定値を記憶しておき、再び該運転領域にきたときに燃料量を含めた燃焼パラメータを変更することにより、ノッキングが起きなくなる限界燃焼パラメータ値を求めることができる。これによれば、無駄な検出はなくなり、必要なときに確実にデポやすすによる自己着火領域の変化を補正できる。
【００６５】
図１２は、自己着火燃焼運転時に、ノッキング限界を超えるノッキングが検出された場合の動作を説明するフローチャートである。
図１２において、まず自己着火運転中にノッキング限界以上のノッキング状態が検出されたかどうかを判定し（Ｓ５０）、ノッキング状態でなければ何もせずに終了する。ノッキング状態であれば、燃焼パラメータを設定値より自己着火抑制側に変更し（Ｓ５２）、ノッキング限界以下となる燃焼パラメータ設定値及び安定度（失火）限界が検出される燃焼パラメータ設定値を検出することにより、自己着火燃焼可能領域の両端部を検出する（Ｓ５４）。
【００６６】
次いで、ノッキング限界が検出される燃焼パラメータ設定値と安定度（失火）限界が検出される燃焼パラメータ設定値との差分を算出することにより、自己着火領域幅を算出する（Ｓ５６）。そして、この自己着火領域幅と予め定められた幅とを比較し（Ｓ５８）、これらがほぼ等しければ（Ｓ６０）、ノッキングを起こした設定時の燃焼パラメータと、ノッキングの起きない限界の燃焼パラメータとの差異をシフト量として算出する（Ｓ６４）。
【００６７】
次いで、予め記憶した燃焼パラメータと空燃比感度マップを参照して自己着火領域のシフト量を空燃比に換算して算出し（Ｓ６６）、機関負荷などに対する空燃比マップを前記シフト量分だけ変更して、図１の燃焼パラメータ設定値記憶部２５に記憶させて（Ｓ６８）、処理を終了する。
Ｓ５８の比較において、幅が所定以上異なれば、燃焼室にデポやすすが堆積したことによる変化ではないと判定し、何もせずに終了する。
【００６８】
なお、本実施形態では、デポやすすの堆積により自己着火が促進された場合の、自己着火抑制策として空燃比のリーン化補正を行うことで対応したが、それ以外の燃焼パラメータによる対応でも構わないことは明白である。例えば、自己着火を抑制する方向の補正の例として、マイナスＯ／Ｌ設定量の減少補正、マイナスＯ／Ｌ中の補助噴射量の設定値の減少補正、マイナスＯ／Ｌ中の補助噴射量の噴射時期の設定値の遅延化補正もしくは早期化補正、可変圧縮機機構による圧縮比の設定値の低減補正、外部ＥＧＲバルブの開度の設定値の低減補正などである。
【００６９】
これらの場合、燃料は同一の燃料量が噴射されていると、自己着火が促進されると未燃の燃料排出が減少するので、燃費が良くなり、発生トルクが多くなる。空燃比による補正ではその分を直接補正できたが、それ以外のこれらのパラメータによる補正では、運転者のペダル開度の減少を行うことにより、運転者は所望のトルクを得ることができる。
【００７０】
以上説明したように、本実施形態に係る内燃機関では、エンジンの定常運転状態で燃焼パラメータを変更して自己着火空燃比幅とその値を検出しあらかじめ定められた値と比較し、幅が同じでリーン側へシフトしている場合にデポやすすが堆積していると判断し、その空燃比シフト量分であらかじめ定められた空燃比マップを補正する構成としたので、エンジン出荷時のようなすすやデポの堆積していない状態において良好な自己着火燃焼が起こるように設定できるとともに、その後のエンジン使用過程において燃焼室にすすやデポが堆積して自己着火が促進され、ノッキングが起こりやすくなっても、その度合いに応じて空燃比を補正できるので、出荷初期から運転性や騒音振動特性を良好な状態にできるとともに、粗悪な燃料などを使用して燃焼室内にデポやすすが堆積した場合においても、すみやかに空燃比などの設定を変更できるので、運転性や騒音振動を良好な状態に維持すると共に、ノッキングの発生による熱的や機械的なエンジンの劣化を抑制できるという効果が実現される。
この結果として、自己着火燃焼をともなう火花点火ガソリンエンジンの実用化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自己着火内燃機関の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図２】実施形態における動弁作動時期変更を説明するバルブタイミング・ダイアグラムであり、（ａ）火花点火運転時、（ｂ）自己着火運転時をそれぞれ示す。
【図３】火花点火運転領域と自己着火運転領域の一例を示す図である。
【図４】自己着火運転の動弁作動時期と燃料噴射時期の一例を示す図である。
【図５】空燃比・トルク空間における自己着火燃焼可能領域のすすやデポの堆積による変化の一例を示す図である。
【図６】燃焼パラメータとしてマイナスオーバーラップ量を変化させた場合の自己着火燃焼可能領域の例を示す図である。
【図７】燃焼パラメータとしてマイナスオーバーラップ中の補助噴射量を変化させた場合の自己着火燃焼可能領域の例を示す図である。
【図８】燃焼パラメータとしてマイナスオーバーラップ中の補助噴射量の噴射時期を変化させた場合の自己着火燃焼可能領域の例を示す図である。
【図９】燃焼パラメータとして圧縮比を変化させた場合の自己着火燃焼可能領域の例を示す図である。
【図１０】燃焼パラメータとして外部ＥＧＲ量を変化させた場合の自己着火燃焼可能領域の例を示す図である。
【図１１】定常状態において自己着火燃焼可能領域を検出し、燃焼パラメータ設定を変更する例のフローチャートである。
【図１２】ノッキングを検出した後に、自己着火燃焼可能領域を検出し、燃焼パラメータ設定を変更する例のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 吸気ポート
２ 吸気弁
３ 点火プラグ
４ 排気ポート
５ 排気弁
６ 燃料噴射弁
７ ノッキングセンサ
８ クランク角度センサ
９ 燃焼室
１０ エンジンコントルールユニット（ＥＣＵ）
１１ 吸気カム
１２ 排気カム
１３ 吸気カム作動可変機構
１４ 排気カム作動可変機構
２１ ノッキング限界検出部
２２ 安定度限界検出部
２３ 自己着火可能領域検出部
２４ 燃焼パラメータ変更制御部
２５ 燃焼パラメータ設定値記憶部
２６ 燃焼パラメータ出力部
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転領域に応じて火花点火運転と自己着火運転とを切り替える自己着火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自己着火運転領域を有する内燃機関としては、例えば以下のようなものがある。
２サイクル型の火花点火式内燃機関の分野では、部分負荷時における燃焼不安定を解消すると共に、ＨＣ（未燃炭化水素）排出量の低減を図るために、燃焼室内における自己着火燃焼を積極的に利用した技術が提案されている。例えば、特開平７−７１２７９号公報には、低負荷時に排気通路の一部を遮断することによってシリンダ内の残留ガス濃度を高めて、圧縮行程開始時のシリンダ内圧や温度を高め、自己着火の燃焼時期を制御する技術が開示されている。
【０００３】
自己着火燃焼を安定して起こさせるには、圧縮上死点付近で作動ガスの温度と圧力があるレベル以上になる必要がある。その手段として、上記従来例のようにＥＧＲガスの大量使用と高圧縮比化とを併用したり、単に圧縮比を高めることにより、筒内温度と筒内圧力とがあるレベル以上となるような燃焼パラメータをあらかじめ定め、負荷に応じてそのパラメータになるように制御を行っている。
【０００４】
一般的に、自己着火燃焼は、空燃比の濃い負荷の高い方はノッキングが限界であり、空燃比が薄く負荷の低い方は自己着火が不安定となる安定度の点で限界がある。この両者の間が自己着火運転可能な領域である。
【０００５】
この運転可能な領域を広げるために、燃焼パラメータが変更される。例えば、高負荷側でもノッキングしないようにするには、温度や圧力を下げる方向にパラメータが変更される。例えば、従来例では、高負荷側の運転領域拡大のために排気通路の絞りを少し開けて残留ガス量を減らす。また、低負荷側への運転領域の拡大には排気通路の絞りを絞って残留ガス量を増やしている。これらはあらかじめ定められた負荷に対して、あらかじめ定められたパラメータ量の設定となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の自己着火燃焼をする火花点火式内燃機関にあっては、内燃機関使用過程におけるデポやすすの燃焼室への堆積により問題が生じる。
【０００７】
デポやすすが燃焼室の壁面に堆積するとノッキングが生じ易くなり、要求オクタン価が上がる（ＳＡＥ Ｔｒａｎｓ Vol.64, p.76, 1956）。このため、あらかじめ定められた燃焼パラメータ、例えば従来例では排気通路の絞りの度合いであり、一般的な自己着火燃焼では、空燃比やＥＧＲ量、圧縮比などがパラメータであるが、それがそのままですすやデポの堆積がおきると、エンジンがノッキングをおこす可能性がある。ノッキングが起きると、その騒音により運転者や同乗者が不快であるばかりか、エンジンへの熱伝達が大きくなりエンジンが熱的に悪影響を受けたり、ノッキングに伴う大きな圧力振動により機械的振動を増幅する可能性がある。
【０００８】
また、エンジン使用過程を模擬してデポやすすが堆積した状態での、空燃比と発生トルクの関係から、あらかじめエンジンの制御パラメータを定めるようにすると、工場から出荷されるような新品の状態ではデポやすすが堆積していないため、自己着火は生じにくく、エンジンの燃焼が不安定になり、そのままでは工場から出荷ができない状態となる可能性がある。
【０００９】
このように、従来例では、デポやすすが堆積するとノッキングが生じてしまうという構成となっていたため、ノッキングが生じることによる騒音が不快であるばかりか、熱的な負荷増大によるエンジン劣化や、機械的な圧力負荷増大によるエンジン劣化が生じる可能性があるという問題点があった。
【００１０】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、燃焼室内にデポやすすが堆積すると自己着火運転領域がリーン側にシフトする現象に加えて、その時の自己着火運転可能領域の空燃比幅は変わらないという発明者が新たに発見した特徴ある現象により、デポやすすが堆積したかどうかを検知し、その検知結果によりエンジンの自己着火燃焼パラメータをリーン側にシフトするようなパラメータ制御をおこなう構成とすることにより、上記問題点を解決した自己着火内燃機関を提供することを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、少なくとも一部の運転領域で自己着火燃焼をおこなう自己着火内燃機関において、自己着火燃焼運転中に内燃機関が定常運転状態と判断された場合に、自己着火を制御する複数の燃焼パラメータのうち少なくとも一つを変化させて、自己着火燃焼が可能な領域の両端部であるノッキング限界及び燃焼安定度限界を検出し、該領域の大きさや位置に応じて、燃焼パラメータの設定値を変更することを要旨とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、少なくとも一部の運転領域で自己着火燃焼をおこなう自己着火内燃機関において、自己着火燃焼運転中に内燃機関が定常運転状態と判断された場合に、自己着火を制御する複数の燃焼パラメータのうち少なくとも一つを変化させて自己着火燃焼が可能な領域の両端部であるノッキング限界及び燃焼安定度限界における前記燃焼パラメータの値を検出し、該燃焼パラメータ値の幅が所定の幅とほぼ等しく、かつ、自己着火を抑制する側に燃焼パラメータの値が変化している場合に、その変化代により燃焼パラメータの設定値を変更することを要旨とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、少なくとも一部の運転領域で自己着火を行う自己着火内燃機関において、ノッキングが検出された場合にその時の燃焼パラメータを記憶し、定常状態であればその際、あるいは定常状態でなければその後同等の運転領域になった場合、該燃焼パラメータを変化させてノッキング限界と失火限界の燃焼パラメータを検出し、ノッキングと失火の両者の限界をもたらす燃焼パラメータの幅を算出し、その幅があらかじめ定められた幅とほぼ等しい場合に、ノッキング限界の燃焼パラメータとノッキングが検出された燃焼パラメータの差異をもって、燃焼パラメータの設定値を変更することを要旨とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項３記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、燃料噴射量であり、その変化代で空燃比設定値を変更することを要旨とする。
【００１７】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた期間であるマイナスＯ／Ｌ（オーバラップ）期間の長さであり、その変化代を空燃比に換算して、空燃比設定値を変更することを要旨とする。
【００１８】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた期間であるマイナスＯ／Ｌ期間中に燃料噴射する補助噴射量であり、その変化代を吸気行程又は圧縮行程中の主噴射の空燃比に換算して、主噴射の設定値を変更することを要旨とする。
【００１９】
請求項７記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、マイナスＯ／Ｌ期間中に燃料噴射する補助噴射の噴射時期であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更することを要旨とする。
【００２０】
請求項８記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、可変圧縮比機構による圧縮比であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更することを要旨とする。
【００２１】
請求項９記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関において、前記変化させる燃焼パラメータは、外部ＥＧＲ量であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更することを要旨とする。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、少なくとも一部の運転領域で自己着火燃焼をおこなう自己着火内燃機関において、自己着火燃焼運転中に内燃機関が定常運転状態と判断された場合に、自己着火を制御する複数の燃焼パラメータのうち少なくとも一つを変化させて、自己着火燃焼が可能な領域の両端部であるノッキング限界及び燃焼安定度限界を検出し、該領域の大きさや位置に応じて、燃焼パラメータの設定値を変更するようにしたので、加速時や減速時の運転状態変化による燃焼パラメータの動的変化に影響されずに、自己着火燃焼可能領域を正確に検出して、出荷初期から運転性や騒音振動特性を良好な状態にできるとともに、粗悪な燃料などを使用して燃焼室内にデポやすすが堆積した場合においても、すみやかに空燃比などの設定を変更できるので、運転性や騒音振動を良好な状態に維持すると共に、ノッキングの発生による熱的や機械的なエンジンの劣化を防止できるという効果がある。
【００２３】
請求項２記載の発明によれば、少なくとも一部の運転領域で自己着火燃焼をおこなう自己着火内燃機関において、自己着火燃焼運転中に内燃機関が定常運転状態と判断された場合に、自己着火を制御する複数の燃焼パラメータのうち少なくとも一つを変化させて、自己着火燃焼が可能な領域の両端部であるノッキング限界及び燃焼安定度限界を検出するとともに、これら両端部における前記燃焼パラメータの値を検出し、該燃焼パラメータ値の幅が所定の幅とほぼ等しく、かつ、自己着火を抑制する側に燃焼パラメータの値が変化している場合に、その変化代により燃焼パラメータの設定値を変更するようにしたので、加速時や減速時の運転状態変化による燃焼パラメータの動的変化に影響されずに、自己着火燃焼可能領域を正確に検出する効果があるとともに、内燃機関の燃焼室にデポやすすが堆積しても、ノッキングが起こらず、騒音や振動、熱的機械的なエンジンの劣化を防止できるという効果が得られる。
【００２６】
請求項３記載の発明によれば、少なくとも一部の運転領域で自己着火を行う自己着火内燃機関において、ノッキングが検出された場合にその時の燃焼パラメータを記憶し、定常状態であればその際、あるいは定常状態でなければその後同等の運転領域になった場合、該燃焼パラメータを変化させてノッキング限界と失火限界の燃焼パラメータを検出し、ノッキングと失火の両者の限界をもたらす燃焼パラメータの幅を算出し、その幅があらかじめ定められた幅とほぼ等しい場合に、ノッキング限界の燃焼パラメータとノッキングが検出された燃焼パラメータの差異をもって、燃焼パラメータの設定値を変更するようにしたので、ノッキングの再発を防止し、内燃機関の燃焼室にデポやすすが堆積していても熱的機械的なエンジンの劣化を防止できるという効果が得られる。
【００２７】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、燃料噴射量であり、その変化代で空燃比設定値を変更するようにしたので、燃料噴射量の簡単な制御のみで内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００２８】
請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた期間であるマイナスＯ／Ｌ期間の長さであり、その変化代を空燃比に換算して、空燃比設定値を変更するようにしたので、自己着火燃焼可能領域の検出にマイナスＯ／Ｌ期間の長さを利用して、内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００２９】
請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた期間であるマイナスＯ／Ｌ期間中に燃料噴射する補助噴射量であり、その変化代を吸気行程又は圧縮行程中の主噴射の空燃比に換算して、主噴射の設定値を変更するようにしたので、補助噴射量及び主噴射量の簡単な制御のみで内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００３０】
請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、マイナスＯ／Ｌ期間中に燃料噴射する補助噴射の噴射時期であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更するようにしたので、補助噴射の噴射時期と主噴射量の簡単な制御のみで内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００３１】
請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、可変圧縮比機構による圧縮比であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更するようにしたので、自己着火燃焼可能領域の検出に可変圧縮比機構を利用して、内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００３２】
請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発明の効果に加えて、前記変化させる燃焼パラメータは、外部ＥＧＲ量であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更するようにしたので、自己着火燃焼可能領域の検出に外部ＥＧＲ量制御を利用して、内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低減することができるという効果がある。
【００３３】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る自己着火内燃機関の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【００３４】
図１において、自己着火内燃機関は、少なくとも一本の吸気ポート１と、吸気ポート１の下流で燃焼室９の入口に位置する吸気弁２と、点火プラグ３と、少なくとも一本の排気ポート８と、排気ポート８の上流で燃焼室９の出口に位置する排気弁５と、燃焼室９内に直接ガソリン等の燃料を噴射する燃料噴射弁６と、ノッキングを検出するノックセンサと、クランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ８と、エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと略す）１０と、吸気弁２を駆動する吸気カム１１と、排気弁５を駆動する排気カム１２と、吸気カム１１の作動タイミング及びリフト量を可変とする吸気カム作動可変機構１３と、排気カム１２の作動タイミング及びリフト量を可変とする排気カム作動可変機構１４とが設けられている。
【００３５】
ＥＣＵ１０は、ノッキングセンサ７の出力に基づいてノッキング限界を検出するノッキング限界検出部２１と、クランク角センサ８の出力に基づいて安定度限界を検出する安定度限界検出部２２と、ノッキング限界と安定度限界とに基づいて自己着火可能領域を検出する自己着火可能領域検出部２３と、燃焼パラメータ変更制御部２４と、運転状態に応じた燃焼パラメータを予め記憶するとともに、燃焼パラメータ変更制御部２４による書換が可能な燃焼パラメータ設定値記憶部２５と、燃料噴射弁の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグからの点火時期、吸気カム作動可変機構１３による吸気弁２の開閉時期及びリフト量、排気カム作動可変機構１４による排気弁５の開閉時期及びリフト量を燃焼パラメータとして出力する燃焼パラメータ出力部２６と、を備えている。
【００３６】
吸気弁２および排気弁５は、それぞれＥＣＵ１０により、吸気カム作動可変機構１３、排気カム作動可変機構１４を介してそれぞれ開閉時期及びリフト量を制御可能な構成とすることで、機関の低中負荷域では実質的な圧縮比の変更、ＥＧＲ量などを制御して、圧縮上死点付近で自己着火が可能な高温、高圧状態を実現できる構成としている。
【００３７】
また吸気ポート１の上流には、図示しない空気量調整用スロットルと、吸気量測定用エアフローメーターと、エアクリーナーと配管からなる吸気系が設けられている。また、燃焼室１に直接燃料を噴射する燃料噴射弁６が設けられておりＥＣＵ１０により噴射タイミング、噴射回数、噴射量の制御が可能となっている。更に、燃焼室１に放電電極が突出するように点火プラグ３が設けられており、ＥＣＵ１０により点火プラグ３への放電タイミングを制御している。
【００３８】
図２は、吸気カム作動可変機構１３及び排気カム作動可変機構１４による吸気弁及び排気弁の作動期間を説明するバルブタイミング・ダイアグラムである。
【００３９】
通常の火花点火運転時には、図２（ａ）に示すように、排気上死点付近で吸気弁と排気弁のバルブオーバラップをもち、吸気充填効率を高めるため吸気弁の閉時期は下死点よりもおそく、圧縮比はノッキングしない程度、例えば１０程度に設定される。
【００４０】
自己着火運転時には、図２（ｂ）に示すように、吸気弁と排気弁の作動期間とリフト量の制御により、排気弁を排気行程の途中で閉じてしまい、吸気弁の開時期を上死点よりも遅くして、吸排気弁が共に閉じた密閉期間、いわゆるマイナスオーバラップ（マイナスＯ／Ｌ）を設けて、排気ガスの一部をシリンダ内にとどまらせて、上死点付近で圧縮膨張させ、シリンダ内圧力が吸気ポート圧力程度になったときに吸気弁を開けて新しい空気をシリンダ内に吸入する。これにより、新しい空気はその一つ前のサイクルの残留ガスにより加熱される。
【００４１】
同時に、吸気弁の閉じる時期は、下死点付近とされ、このエンジンの有効圧縮比が最大となるようになっているため、新しい空気は残留ガスでも加熱されるとともに、圧縮比が高く取れるので、上死点付近での温度と圧力が自己着火を安定的に起こされるようなレベルに達することが可能となる。
【００４２】
燃料噴射弁６は、図１ではシリンダ内に直接噴射するもののみが記載されている。しかし、これに加えて、吸気ポートにもさらに他の噴射弁を設ける構成も可能であり、本発明においてはどちらでもよい。都合上、直接噴射の例で説明する。
【００４３】
点火プラグ３、燃料噴射弁６、吸気カム作動可変機構１３、および、排気カム作動可変機構１４の制御は、ＥＣＵ１０の燃焼パラメータ出力部２６からの信号に基づいて制御される。また、ＥＣＵ１０には、例えば図示しない、エンジン回転数、アクセルペダル開度、などの信号を入力し、機関負荷及び機関回転数に従って、図３に示すような自己着火領域の判別を行う。
【００４４】
また、ＥＣＵ１０には、吸気弁２や排気弁５の作動をモニタする図示しない弁作動モニタからの信号が入力され、例えば、吸気バルブの閉時期からサイクル毎の有効圧縮比の算出、吸気バルブの開時期と排気バルブの閉時期から、オーバラップ量の算出と内部ＥＧＲガス量の算出を行う。また、吸気カム作動可変機構１３、および、排気カム作動可変機構１４のアクチュエータは、例えば油圧や、電動モータなどが用いられる。
【００４５】
さらに、エンジンにはノッキングを検知するノッキングセンサ７が設けられている。さらに、エンジンの燃焼安定度を検知するクランク角センサ８がクランク軸に設けられ、ある気筒で燃焼不安定や失火が生じると、それによる回転の不安定をエンジンクランク軸の回転速度の変化として検知する。この２つのセンサにより、ノッキング限界と燃焼安定度限界の検知を行う構成となっている。
【００４６】
自己着火燃焼をする運転領域は、図３に示すように、低回転低負荷である部分負荷領域である。それ以外の領域は、火花点火運転を行う。
また、直接噴射の場合、図４に示すように、マイナスＯ／Ｌ期間中に補助燃料噴射を行うことにより、内部ＥＧＲガス中に噴射された燃料が排気上死点付近で高圧、高温に曝されて改質され、自己着火が促進できる例を示す。
【００４７】
次に作用を説明する。
図５には、デポやすすの堆積の有無による、空燃比と発生トルクの関係の一例を示す。デポやすすの堆積が無い場合は、Ａ−Ｂ線で示すように、空燃比が薄い側で安定度（失火）限界、空燃比が濃い側でノッキング限界により制限される領域内で自己着火が起こる。一方吸気圧力やＥＧＲガス量などの燃焼パラメータがそのままで、燃焼室内にデポやすすが堆積した状態になると、Ａ’−Ｂ’線で示すように、自己着火領域がリーン側にシフトする。この際２つの特徴がある。
【００４８】
第１の特徴は、自己着火領域の成立する空燃比の幅は、デポやすすの堆積の有無によらずほぼ等しいという点である。この点を利用して、自己着火可能領域の両端部における燃焼パラメータの値の幅が一定であるかどうかで、デポやすすの堆積によるものかどうかを判定できる。
【００４９】
第２の特徴は、成立する自己着火の発生トルクは、空燃比がリーン側にシフトするにもかかわらず、ほぼ等しいという点である。これは、デポやすすが堆積すると、自己着火が起こりやすくなり、リーンな空燃比でも燃焼が活発化して未燃の燃料が減少するためである。従って、デポやすすが堆積したときは、同一の負荷要求に対して対応する空燃比を薄くするように補正する必要があることがわかる。
【００５０】
次に図６ないし図１０を参照して、自己着火領域幅の検知手法、すなわち、ノッキング限界と安定度限界の間の自己着火燃焼可能領域幅の検出例を示す。いずれの判定も、定常運転状態で燃料噴射量がほぼ一定の状態で行う場合を示す。それ以外の場合は、後述する。
【００５１】
図６には、燃焼パラメータとしてマイナスＯ／Ｌ量（マイナスＯ／Ｌ期間の長さ）を変化させ、自己着火可能領域をノッキング限界と安定度限界となるマイナスＯ／Ｌ量の幅で検知するものである。マイナスＯ／Ｌ量を変化させると、内部ＥＧＲ量が変化しシリンダ内の温度が大きく変化するので、主に温度により自己着火領域幅が検知できる。マイナスＯ／Ｌ量が多くなると前サイクルの高温の既燃ガスがより多く閉じ込められ次のサイクルの新気と混合するので、次のサイクルの混合気温度が上昇し、自己着火しやすくなり、マイナスＯ／Ｌ量が多すぎるとノッキングが発生する。しかし、マイナスＯ／Ｌ量の変化速度は動弁系の応答性によっている。
【００５２】
図７には、燃焼パラメータとしてマイナスＯ／Ｌ中の補助噴射量を変化させ、自己着火領域の幅を検知する例を示す。補助噴射は主噴射の自己着火を促進するためのものであり、補助噴射量の多少は、エンジンの発生トルクにはあまり影響しない。補助噴射量が多いとノッキングしやすく、少ないと自己着火しにくく、安定度が低下して失火しやすい。補助噴射量の制御はインジェクタの応答性によるため、サイクル毎の応答性が良い反面、補助噴射量がゼロの状態でも自己着火が安定して起こる領域もあるため、安定度限界側の検出を確実に行うためには、判定領域の制限が必要となる。
【００５３】
図８には、燃焼パラメータとしてマイナスＯ／Ｌ中の補助噴射の時期を変化させ、自己着火領域の幅を検知する例を示す。補助噴射があまり早すぎたり遅すぎると自己着火を促進する効果がなくなるので、安定度が低下し失火しやすくなる。マイナスＯ／Ｌ中の補助噴射の時期には自己着火が最も促進される最適時期がある。この場合、補助噴射が無くとも安定して自己着火が起こる運転領域があったり、逆に最も自己着火を促進するタイミングでも補助噴射量が少なくノッキングが起こらない場合もあるので、補助噴射の量や自己着火燃焼可能領域の判定を行う運転領域が制限される。
【００５４】
図９には、例えばバルブタイミングを可変として圧縮比を可変とする可変圧縮比機構付きの場合に、燃焼パラメータとして圧縮比を変化させて自己着火可能領域を検出する例を示す。この場合、圧縮比のみを変化させることにより自己着火領域の幅を検知できる。圧縮比が高いとノッキングしやすくなりノッキング限界が検出できる。逆に圧縮比が低いと安定度が低下し失火しやすくなるので安定度限界が検出できる。これより自己着火燃焼可能な領域幅が検知できる。しかし負荷によっては圧縮比が高くともノッキングしない場合もあり、検知する運転領域が制限される。また、応答性は可変圧縮比機構の応答速度による。
【００５５】
図１０には、燃焼パラメータとして外部ＥＧＲバルブの開度を変化させて、自己着火可能領域を検知する例を示す。ＥＧＲバルブが開くとＥＧＲ量が増え、混合気の温度が上がり自己着火しやすくなりノッキングしやすくなる一方、ＥＧＲ量が減少すると混合気の温度が下がり自己着火しにくくなり失火しやすくなる。この手段では応答性がサイクル毎ではないことと、ＥＧＲガスの温度によりノッキングに到らない場合があり、またＥＧＲガス量が多いと逆に燃焼を緩慢にする作用もあることから、ノッキング限界を明確に得るためには、自己着火燃焼可能領域判定の運転領域に制限が加わるものと考えられる。
【００５６】
これらの燃焼パラメータのみを変更することで、自己着火可能領域、言い換えれば自己着火燃焼の成立する範囲が検知でき、自己着火燃焼の成立する燃焼パラメータの幅が所定の幅でありかつ、自己着火燃焼が成立する燃焼パラメータの範囲がリーン側にシフトしている場合に、燃焼室内にデポやすすが堆積しているとみなすことができる。燃焼パラメータが空燃比の場合には、そのリーン側へのシフト量だけあらかじめ定められた負荷に対する空燃比マップなどを変更する。
【００５７】
空燃比以外の燃焼パラメータを変更して自己着火燃焼可能領域を検出し、燃焼パラメータの幅が所定の幅にほぼ一致するとともに、自己着火可能な燃焼パラメータの範囲が自己着火燃焼を促進する側、又はリーン側にシフトした場合には、そのリーン側へのシフト量を、空燃比換算するのは、あらかじめ定められた燃焼パラメータと空燃比感度マップから計算する。
【００５８】
図１１は、自己着火燃焼の定常運転時に、燃焼パラメータを変化させて自己着火可能領域を検出し、自己着火可能領域の両端における燃焼パラメータ幅に基づいて、燃焼室にデポやすすの堆積による自己着火可能領域のシフトか否かを判定し、そうであれば、空燃比マップを変更する動作を説明するフローチャートである。
【００５９】
図１１において、まず自己着火運転中に運転状態が定常状態かどうかを判定し（ステップ１０、以下ステップをＳと略す）、定常状態でなければ何もせずに終了する。定常状態であれば、燃焼パラメータを設定値の周りで変更し（Ｓ１２）、ノッキング限界が検出される燃焼パラメータ設定値及び安定度（失火）限界が検出される燃焼パラメータ設定値を検出することにより、自己着火燃焼可能領域の両端部を検出する（Ｓ１４）。
【００６０】
次いで、ノッキング限界が検出される燃焼パラメータ設定値と安定度（失火）限界が検出される燃焼パラメータ設定値との差分を算出することにより、自己着火領域幅を算出する（Ｓ１６）。そして、この自己着火領域幅と予め定められた幅とを比較し（Ｓ１８）、これらがほぼ等しければ（Ｓ２０）、自己着火領域全体が自己着火促進側にシフトしたかどうかを判定する（Ｓ２４）。
【００６１】
Ｓ２４の判定でＹｅｓであれば、予め記憶した燃焼パラメータと空燃比感度マップを参照して自己着火領域のシフト量を空燃比に換算して算出し（Ｓ２６）、機関負荷などに対する空燃比マップを前記シフト量分だけ変更して、図１の燃焼パラメータ設定値記憶部２５に記憶させて（Ｓ２８）、処理を終了する。
【００６２】
Ｓ１８の比較において、幅が所定以上異なれば、燃焼室にデポやすすが堆積したことによる変化ではないと判定し、何もせずに終了する。
【００６３】
また、このような自己着火の可能な燃焼パラメータの領域を常時検出して検討するのではなく、あらかじめ設定された燃焼パラメータで運転中に、ノッキング限界以上にノッキングが検出されたときに、初めて自己着火可能領域の検出および燃焼パラメータ設定値の変更を行うことが考えられる。
【００６４】
この場合、ノッキングが検出された運転状態が定常とみなせるときはもちろん、前記のように定常状態の燃料噴射量一定の場合でなくても、ノッキングを起こした運転状態の設定値を記憶しておき、再び該運転領域にきたときに燃料量を含めた燃焼パラメータを変更することにより、ノッキングが起きなくなる限界燃焼パラメータ値を求めることができる。これによれば、無駄な検出はなくなり、必要なときに確実にデポやすすによる自己着火領域の変化を補正できる。
【００６５】
図１２は、自己着火燃焼運転時に、ノッキング限界を超えるノッキングが検出された場合の動作を説明するフローチャートである。
図１２において、まず自己着火運転中にノッキング限界以上のノッキング状態が検出されたかどうかを判定し（Ｓ５０）、ノッキング状態でなければ何もせずに終了する。ノッキング状態であれば、燃焼パラメータを設定値より自己着火抑制側に変更し（Ｓ５２）、ノッキング限界以下となる燃焼パラメータ設定値及び安定度（失火）限界が検出される燃焼パラメータ設定値を検出することにより、自己着火燃焼可能領域の両端部を検出する（Ｓ５４）。
【００６６】
次いで、ノッキング限界が検出される燃焼パラメータ設定値と安定度（失火）限界が検出される燃焼パラメータ設定値との差分を算出することにより、自己着火領域幅を算出する（Ｓ５６）。そして、この自己着火領域幅と予め定められた幅とを比較し（Ｓ５８）、これらがほぼ等しければ（Ｓ６０）、ノッキングを起こした設定時の燃焼パラメータと、ノッキングの起きない限界の燃焼パラメータとの差異をシフト量として算出する（Ｓ６４）。
【００６７】
次いで、予め記憶した燃焼パラメータと空燃比感度マップを参照して自己着火領域のシフト量を空燃比に換算して算出し（Ｓ６６）、機関負荷などに対する空燃比マップを前記シフト量分だけ変更して、図１の燃焼パラメータ設定値記憶部２５に記憶させて（Ｓ６８）、処理を終了する。
Ｓ５８の比較において、幅が所定以上異なれば、燃焼室にデポやすすが堆積したことによる変化ではないと判定し、何もせずに終了する。
【００６８】
なお、本実施形態では、デポやすすの堆積により自己着火が促進された場合の、自己着火抑制策として空燃比のリーン化補正を行うことで対応したが、それ以外の燃焼パラメータによる対応でも構わないことは明白である。例えば、自己着火を抑制する方向の補正の例として、マイナスＯ／Ｌ設定量の減少補正、マイナスＯ／Ｌ中の補助噴射量の設定値の減少補正、マイナスＯ／Ｌ中の補助噴射量の噴射時期の設定値の遅延化補正もしくは早期化補正、可変圧縮機機構による圧縮比の設定値の低減補正、外部ＥＧＲバルブの開度の設定値の低減補正などである。
【００６９】
これらの場合、燃料は同一の燃料量が噴射されていると、自己着火が促進されると未燃の燃料排出が減少するので、燃費が良くなり、発生トルクが多くなる。空燃比による補正ではその分を直接補正できたが、それ以外のこれらのパラメータによる補正では、運転者のペダル開度の減少を行うことにより、運転者は所望のトルクを得ることができる。
【００７０】
以上説明したように、本実施形態に係る内燃機関では、エンジンの定常運転状態で燃焼パラメータを変更して自己着火空燃比幅とその値を検出しあらかじめ定められた値と比較し、幅が同じでリーン側へシフトしている場合にデポやすすが堆積していると判断し、その空燃比シフト量分であらかじめ定められた空燃比マップを補正する構成としたので、エンジン出荷時のようなすすやデポの堆積していない状態において良好な自己着火燃焼が起こるように設定できるとともに、その後のエンジン使用過程において燃焼室にすすやデポが堆積して自己着火が促進され、ノッキングが起こりやすくなっても、その度合いに応じて空燃比を補正できるので、出荷初期から運転性や騒音振動特性を良好な状態にできるとともに、粗悪な燃料などを使用して燃焼室内にデポやすすが堆積した場合においても、すみやかに空燃比などの設定を変更できるので、運転性や騒音振動を良好な状態に維持すると共に、ノッキングの発生による熱的や機械的なエンジンの劣化を抑制できるという効果が実現される。
この結果として、自己着火燃焼をともなう火花点火ガソリンエンジンの実用化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自己着火内燃機関の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図２】実施形態における動弁作動時期変更を説明するバルブタイミング・ダイアグラムであり、（ａ）火花点火運転時、（ｂ）自己着火運転時をそれぞれ示す。
【図３】火花点火運転領域と自己着火運転領域の一例を示す図である。
【図４】自己着火運転の動弁作動時期と燃料噴射時期の一例を示す図である。
【図５】空燃比・トルク空間における自己着火燃焼可能領域のすすやデポの堆積による変化の一例を示す図である。
【図６】燃焼パラメータとしてマイナスオーバーラップ量を変化させた場合の自己着火燃焼可能領域の例を示す図である。
【図７】燃焼パラメータとしてマイナスオーバーラップ中の補助噴射量を変化させた場合の自己着火燃焼可能領域の例を示す図である。
【図８】燃焼パラメータとしてマイナスオーバーラップ中の補助噴射量の噴射時期を変化させた場合の自己着火燃焼可能領域の例を示す図である。
【図９】燃焼パラメータとして圧縮比を変化させた場合の自己着火燃焼可能領域の例を示す図である。
【図１０】燃焼パラメータとして外部ＥＧＲ量を変化させた場合の自己着火燃焼可能領域の例を示す図である。
【図１１】定常状態において自己着火燃焼可能領域を検出し、燃焼パラメータ設定を変更する例のフローチャートである。
【図１２】ノッキングを検出した後に、自己着火燃焼可能領域を検出し、燃焼パラメータ設定を変更する例のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 吸気ポート
２ 吸気弁
３ 点火プラグ
４ 排気ポート
５ 排気弁
６ 燃料噴射弁
７ ノッキングセンサ
８ クランク角度センサ
９ 燃焼室
１０ エンジンコントルールユニット（ＥＣＵ）
１１ 吸気カム
１２ 排気カム
１３ 吸気カム作動可変機構
１４ 排気カム作動可変機構
２１ ノッキング限界検出部
２２ 安定度限界検出部
２３ 自己着火可能領域検出部
２４ 燃焼パラメータ変更制御部
２５ 燃焼パラメータ設定値記憶部
２６ 燃焼パラメータ出力部
Claims (9)
- 少なくとも一部の運転領域で自己着火燃焼をおこなう自己着火内燃機関において、自己着火燃焼運転中に内燃機関が定常運転状態と判断された場合に、自己着火を制御する複数の燃焼パラメータのうち少なくとも一つを変化させて、自己着火燃焼が可能な領域の両端部であるノッキング限界及び燃焼安定度限界を検出し、該領域の大きさや位置に応じて、燃焼パラメータの設定値を変更することを特徴とする自己着火内燃機関。
- 少なくとも一部の運転領域で自己着火燃焼をおこなう自己着火内燃機関において、自己着火燃焼運転中に内燃機関が定常運転状態と判断された場合に、自己着火を制御する複数の燃焼パラメータのうち少なくとも一つを変化させて、自己着火燃焼が可能な領域の両端部であるノッキング限界及び燃焼安定度限界を検出するとともに、これら両端部における前記燃焼パラメータの値を検出し、該燃焼パラメータ値の幅が所定の幅とほぼ等しく、かつ、自己着火を抑制する側に燃焼パラメータの値が変化している場合に、その変化代により燃焼パラメータの設定値を変更することを特徴とする自己着火内燃機関。
- 少なくとも一部の運転領域で自己着火を行う自己着火内燃機関において、ノッキングが検出された場合にその時の燃焼パラメータを記憶し、定常状態であればその際、あるいは定常状態でなければその後同等の運転領域になった場合、該燃焼パラメータを変化させてノッキング限界と失火限界の燃焼パラメータを検出し、ノッキングと失火の両者の限界をもたらす燃焼パラメータの幅を算出し、その幅があらかじめ定められた幅とほぼ等しい場合に、ノッキング限界の燃焼パラメータとノッキングが検出された燃焼パラメータの差異をもって、燃焼パラメータの設定値を変更することを特徴とする自己着火内燃機関。
- 前記変化させる燃焼パラメータは、燃料噴射量であり、その変化代で空燃比設定値を変更することを特徴とする請求項３記載の自己着火内燃機関。
- 前記変化させる燃焼パラメータは、排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた期間であるマイナスＯ／Ｌ（オーバラップ）期間の長さであり、その変化代を空燃比に換算して、空燃比設定値を変更することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関。
- 前記変化させる燃焼パラメータは、排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた期間であるマイナスＯ／Ｌ期間中に燃料噴射する補助噴射量であり、その変化代を吸気行程又は圧縮行程中の主噴射の空燃比に換算して、主噴射の設定値を変更することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関。
- 前記変化させる燃焼パラメータは、マイナスＯ／Ｌ期間中に燃料噴射する補助噴射の噴射時期であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関。
- 前記変化させる燃焼パラメータは、可変圧縮比機構による圧縮比であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関。
- 前記変化させる燃焼パラメータは、外部ＥＧＲ量であり、その変化代を主噴射の空燃比に換算して、主噴射の空燃比設定値を変更することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自己着火内燃機関。
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