JP4269114B2

JP4269114B2 - 筒内噴射型内燃機関

Info

Publication number: JP4269114B2
Application number: JP12298899A
Authority: JP
Inventors: 広信佐藤; 均加村; 宏記田村; 茂雄山本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2019-04-28
Also published as: JP2000314334A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射し、機関運転状態に応じて均一燃焼と成層燃焼とを切り換える筒内噴射型内燃機関に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
この種の筒内噴射型内燃機関は既に実用化されており、その運転状態に応じて燃焼形態の異なる運転モードを使い分けることで、高出力と低燃費との両立を図っている。一方、このような運転モードの切り換え時に生じるトルクショックを防止するため、例えば、特開平１０−６８３４４号公報には筒内噴射型内燃機関における運転モードの切換時に好適した制御技術が開示されている。
【０００３】
具体的には、上記公報中の図５を参照すればより明らかなように、公知の制御技術では成層燃焼（圧縮行程噴射）から均一燃焼（吸気行程噴射）への運転モードの切換信号が出力されたとき、排気再循環（ＥＧＲ）弁を絞るとともに空燃比を次第にリッチ化させるテーリング処理を行い、そして、その空燃比が成層燃焼におけるスモーク発生限界に達した時点でステップ状に、均一燃焼に適した空燃比に切り換えるものとしている。更に、このとき気筒内に残留するＥＧＲガスによる燃焼トルクの不足分を補償するため、切り換え時の空燃比を一時的にリッチ空燃比に設定するものとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、運転モードの切り換え時に上述した公知の制御手法を適用しても、燃焼形態と空燃比とがステップ的に切り換わるとともに、制御上のスロットル弁開度やＥＧＲ弁開度の応答に対して、実際の吸入空気量やＥＧＲガス導入量の変化に応答遅れ等があるため、制御上で意図したエンジントルクの変化特性を充分に得ることができず、運転モード切り換え時のトルクショックを確実に抑制することはできない。
【０００５】
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、運転モード切り換え時のトルクショックを抑制可能な筒内噴射型内燃機関を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の筒内噴射型内燃機関（請求項１）は、内燃機関の運転状態に応じて選択的に実行される第１及び第２の運転モードを有しており、第１の運転モードでは主に、吸気行程中に燃料を噴射して理論空燃比の近傍で均一燃焼させ、一方、第２の運転モードでは主に圧縮行程中に燃料を噴射してリーン空燃比で成層燃焼させる。そして、本発明の内燃機関では特に、上記の各運転モード間で選択が切り換えられたときは、その選択により新たに実行される運転モードに先立ち、モード切換手段が圧縮行程中に燃料を噴射し且つ理論空燃比の近傍で成層燃焼させる移行モードを実行するものとしている。
具体的には、モード切換手段は、第２運転モードから第１運転モードへの切り換え時、移行モードの実行に先立ち、空燃比を理想空燃比に向けて第１空燃比値間まで徐々に近付けるテーリング処理を実行し、このテーリング処理の後、空燃比を前記第１空燃比値から理論空燃比近傍にステップ的に変化させて前記移行モードを実行する。
【０００７】
上述した筒内噴射型内燃機関によれば、例えば第２運転モードから第１運転モードへ選択が切り換えられたとき、第１運転モードの実行に先立ち、テーリング処理を経て上述の移行モードが実行されることで、機関は成層燃焼の形態を維持したまま理論空燃比運転を実施する。この後、第１運転モードが実行されて、その燃焼形態が均一燃焼に切り換えられても、機関の空燃比は既に理論空燃比に移行しており、ほぼ同一空燃比での燃焼形態の切り換えとなることから、運転モード切り換え時のトルクショックが有効に抑えられる。一方、第１運転モードから第２運転モードへ選択が切り換えられた場合、機関は理論空燃比運転を維持した状態（ほぼ同一空燃比状態）で均一燃焼から成層燃焼の形態に移行する移行モードを実行し、この後、第２運転モードが実行されてリーン空燃比運転を行っても、同一燃焼形態での空燃比の変更となることから、この場合にもトルクショックを低減することができる。
【０００８】
好ましくは、前述した第１運転モードから第２運転モードへの切り換えの際の移行モードでは、空燃比が理想空燃比近傍からリーン空燃比側に向けて第２空燃比値まで徐々に変化され、ここでの第２空燃比値は前記第１空燃比値よりも小さい。
【０００９】
また、本発明の筒内噴射型内燃機関は、各運転モード毎にその燃焼形態に応じて点火時期及び燃料の噴射時期を適切に制御するための制御手段を含んでおり、この制御手段は特に、上述の移行モードにおいて排気中にスモークが発生するのを防止するため、第２運転モードからみて点火時期を遅角側に、噴射時期を進角側にそれぞれ制御して、燃料の噴射から点火までの時間を延長することが好ましい。
【００１０】
更に本発明の筒内噴射型内燃機関は、その排気を吸気系に還流させる装置（ＥＧＲ装置）を含み、このＥＧＲ装置は通常、第２運転モードでは排気中のＮＯx低減のために多量の排気還流を気筒内に導入しているが、特に上述の移行モードにあるとき、その燃焼悪化を防止するために排気還流の導入を停止することが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明の筒内噴射型内燃機関の一実施例として、車両用のガソリンエンジン１が概略的に示されている。
図１に示されるエンジン１は例えば、直列４気筒型のシリンダレイアウトを有しており、そのシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火栓４及び燃料噴射弁６が取り付けられている。また個々の燃料噴射弁６は、燃焼室８内に燃料を直接噴射するべく配設されている。
【００１２】
また、エンジン１は吸気系にインテークマニホールド１０を有しており、その始端部にはサージタンク１２が形成されている。また、サージタンク１２の入口には電動開閉式のスロットル弁１４が取り付けられており、スロットル弁１４には図示しない吸気管が接続されている。
更に、エンジン１には排気還流（ＥＧＲ）装置が装備されており、その排気系にはＥＧＲ通路１６が接続されている。ＥＧＲ通路１６は一端が排気ポート内に開口し、その他端はサージタンク１２内に開口している。また、ＥＧＲ通路１６には、その途中に電磁開閉式のＥＧＲ弁１８が介挿されている。
【００１３】
実施例のエンジン１は電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０を装備しており、このＥＣＵ２０を用いて各種機器の作動を制御することができる。すなわち、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ２２から供給されるクランク角パルスＣＡに基づきエンジン１の回転速度Ｎｅを検出するほか、そのパルスＣＡと同期して各点火栓４及び燃料噴射弁６の作動を制御し、各気筒毎に点火時期及び噴射時期を制御することができる。
【００１４】
また、上述したスロットル弁１４の開度調節及びＥＧＲ弁１８の開閉動作は、何れもＥＣＵ２０により制御されている。なお、スロットルバルブ１４にはスロットル開度センサ２４が取り付けられており、ＥＣＵ２０はそのセンサ信号に基づきスロットル開度TPSを検出することができる。
更に、エンジン１の運転制御に関するＥＣＵ２０の機能としては、ＥＣＵ２０は検出したスロットル開度TPS及びエンジン回転速度Ｎｅに基づいてエンジンの負荷に相関した目標平均有効圧Ｐｅを求め、そして、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅに基づき所定の運転モードを選択することができる（モード選択手段）。
【００１５】
運転モードの選択についてより詳しくは、ＥＣＵ２０は例えば、予め目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとの関係から規定されるモード選択マップ（特に図示しない）を準備しており、このマップ上に規定される判定領域に対応した運転モードを選択する。具体的には、目標平均有効圧Ｐｅ及びエンジン回転速度の何れか一方がマップ上で大きい値を示しているとき、運転モードとして吸気行程噴射モード（第１運転モード）が選択され、一方、その何れもが比較的に小さい値を示すときは、圧縮行程噴射モード（第２運転モード）が選択される。
【００１６】
上述した吸気行程噴射モードはマップ上、更に複数の判定領域に区分されており、具体的には、吸気リーンモード、吸気ストイキフィードバック（S-F／B）モード及びオープンループモードの各領域が含まれる。これら判定領域は、何れも設定すべき空燃比毎に区分されており、その吸気リーンモードではリーン空燃比（例えば１８〜２３）が、また、ストイキフィードバックモードでは理論空燃比が、そして、オープンループモードではリッチ空燃比がそれぞれ設定される。
【００１７】
これに対し、圧縮行程噴射モード（圧縮リーンモード）での空燃比は、超希薄空燃比（例えば２５〜５０）に設定されており、この圧縮リーンモードでは主に、圧縮行程中に燃料が噴射され、リーン空燃比で成層燃焼が実施される。
ＥＣＵ２０は、上述した各運転モードを選択する機能に加え、車両の走行中にこれら運転モード間で相互に選択の切り換えを行ったとき、実際にエンジン１の運転モードをスムーズに切り換え、継続して新たな運転モードでエンジン１を働かせるためのモード切換機能をも有している（モード切換手段）。このモード切換機能は、ＥＣＵ２０内に制御プログラムの形式で組み込まれており、ＥＣＵ２０はこの制御プログラムに則って、エンジン１の運転モード切換を行う。
【００１８】
図２及び図３を参照すると、上述した制御プログラムとしてＥＣＵ２０が実行するモード切換制御ルーチンの例が示されており、以下、それぞれのモード切換手順について具体的に説明する。
図２の制御ルーチンは圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードへの切換時における制御手順を示している。具体的には先ず、そのステップＳ１０において上述した各種のセンサ信号を読み込み、ＥＣＵ２０はこれらセンサ信号から目標平均有効圧Ｐｅ及びエンジン回転速度Ｎｅを求めると、前述の設定マップから運転モードの選択を行う。
【００１９】
次にステップＳ１２では、ステップＳ１０で行った運転モードの選択が、例えば圧縮リーンモードから吸気ストイキフィードバックモードへの切換に該当しているか否かが判別される。その結果、特に上記のモード切換に該当していない場合（Ｎｏ）は、ＥＣＵ２０はステップＳ１４以降を実行することなく制御ルーチンをここでリターンする。一方、上記のモード切換に該当する場合（Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２０はステップＳ１４以降に進んで所定のモード切換処理を行う。
【００２０】
モード切換処理について詳しくは、上述のように圧縮リーンモードから吸気ストイキフィードバックモードへの切換の場合、新規に吸気ストイキフィードバック運転が実行されるのに先立ち、運転モードの一種として、圧縮行程においてストイキを含むストイキ近傍の空燃比（例えば１４〜１５）にて成層燃焼させる圧縮ストイキモード（移行モード）が実行される。
【００２１】
上述したモード切換処理としての圧縮ストイキモードは、制御ルーチン中のステップＳ２２にて実行されるようにプログラムされているが、更に本実施例では、その好ましい態様としてステップＳ１４〜Ｓ１８までの並行処理をも併せて実行するものとしている。
図４を参照すると、モード切換処理及びその並行処理のタイミング線図が示されている。具体的には、ステップＳ１２にて上述のモード切換判定が成立すると、ＥＣＵ２０はその時点ｔ₁からＥＧＲ弁の閉弁及び空燃比のテーリング処理を行う（ステップＳ１４，Ｓ１６）。
【００２２】
図４に示されるように、モード切換の時点ｔ₁から空燃比は次第にリッチ化されており、また、ＥＧＲ弁１８はその時点ｔ₁で閉じられる。また、この空燃比のテーリング処理は、ステップＳ１６〜Ｓ１８のループにより所定空燃比af₁に達するまで行われる。なお、ステップＳ１８において所定空燃比af₁の具体的な値は、圧縮行程噴射での燃焼悪化により排気中にスモークが発生する限界空燃比（例えば２４程度）に設定されている。
【００２３】
上述のテーリング処理が終了（ステップＳ１８＝真）すると、ＥＣＵ２０はステップＳ２０に進み、この時点ｔ₂でスロットル弁１４を絞る（スロットル開度小）。
また空燃比は、所定の限界空燃比af₁に達した時点ｔ₂でストイキ又はその近傍に切り換えられ、そして、この時点ｔ₂から上述の圧縮ストイキモード（図４中１点鎖線）が開始される（ステップＳ２２）。このとき、ＥＣＵ２０は点火栓４及び燃料噴射弁６の作動タイミングをそれぞれ制御して、圧縮リーンモードのときよりも点火時期を遅角させ、また、その噴射時期を進角させることが好ましい。
【００２４】
図示のように、上述の圧縮ストイキモードでは圧縮行程噴射が継続して行われており、その燃焼形態は、圧縮リーンモードに引き続いて成層燃焼に維持されている。なお、ステップＳ２２の実行と同時に、ＥＣＵ２０は内蔵したタイマカウンタを起動させ、所定時間の経過をカウントするまで圧縮ストイキモードを実行する（ステップＳ２２〜Ｓ２４のループ）。
【００２５】
ここで図４には、ＥＧＲ弁１８を閉じた時点ｔ₁からの実ＥＧＲガス量の変化及びスロットル弁１４を絞った時点ｔ₂からの実吸入空気量の変化がそれぞれ２点鎖線で示されており、圧縮ストイキモードは、これら実ＥＧＲガス量及び実吸入空気量の応答遅れがほぼ解消する時点ｔ₃まで継続されている。従って、ステップＳ２４においてカウントすべき所定時間は、これら実ＥＧＲガス量及び実吸入空気量の過渡特性を考慮して適切に設定されている。
【００２６】
ステップＳ２４にて所定時間の経過が確認されると（Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２０はステップＳ２６に進んで圧縮ストイキモードを終了し、この時点ｔ₃から新たに吸気ストイキフィードバックモードを実行する。また、噴射時期は吸気行程噴射に切り換えられる。
この後、エンジン１が完全に吸気ストイキフィードバック運転に移行すると、ＥＣＵ２０はモード切換制御ルーチンの手順を全て完了し、制御ルーチンを再起動する。
【００２７】
次に、図３の制御ルーチンは、吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードへの切換時における制御手順を示している。この場合、上述したモード切換の判別はステップＳ３２にて行われ、例えば、ステップＳ１０での運転モードの選択が吸気ストイキフィードバックモードから圧縮リーンモードへの切換に該当するか否かが判別される。
【００２８】
上記のモード切換に該当する場合（Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２０はステップＳ３４に進み、その時点ｔ₄から直ちに噴射時期を圧縮行程噴射に切り換えて上述の圧縮ストイキモードを実行する（図４参照）。このときの点火栓４及び燃料噴射弁６の作動は、上述の場合と同様にスモークの抑制を考慮して制御される。
図３の制御ルーチンの場合、そのモード切換処理を実行するのに際し、好ましい形態としてステップＳ３８〜Ｓ４０及びステップＳ４４が組み込まれている。
【００２９】
具体的には、圧縮ストイキモードを開始した時点ｔ₄で先ず、ＥＣＵ２０はステップＳ３６及びステップＳ３８をも並行して実行し、スロットル弁１４を開かせるとともに所定の空燃比テーリング処理を行う。この場合、図４に示されるように空燃比はストイキから次第にリーン化され、ステップＳ３８〜Ｓ４０のループにより所定空燃比af₂に達するまでそのテーリング処理が行われる。また、所定空燃比af₂の具体的な値は、吸気行程噴射で燃焼が悪化する限界空燃比（例えば１６程度）に設定されている。
【００３０】
上述のテーリング処理が終了すると（ステップＳ４０＝真）、この時点ｔ₅でＥＣＵ２０は圧縮ストイキモードを終了し、ステップＳ４２に進んで圧縮リーンモードを実行する。また、この時点ｔ₅で空燃比はリーン空燃比に切り換えられる。
また、このときＥＣＵ２０はステップＳ４４をも同時に実行し、圧縮リーンモードへの切換時点ｔ₅でＥＧＲ弁１８を開かせる。従って、圧縮ストイキモードの実行中はＥＧＲ弁１８は閉じられており、この間にＥＧＲガスが導入されることはない。但し、実際にはＥＧＲガス流量の応答遅れ（図４中２点鎖線）があることを考慮して、モード切換時点ｔ₅より以前にステップＳ４４を実行するように制御ルーチンを組み換えてもよい。
【００３１】
そしてこの後、エンジン１が圧縮リーン運転に移行すると、ＥＣＵ２０は切換制御ルーチンの手順を一通り完了し、新たにルーチンを再起動する。
上述したモード切換処理によれば、圧縮リーンモードから吸気ストイキフィードバックモードへの切り換えの場合にあっては、吸気系内の残留ＥＧＲガス量や吸入空気量の応答遅れが存在する期間内に圧縮ストイキモードを実行することで、エンジン１は成層燃焼の形態を維持したままストイキ燃焼を実現する。なお、ＥＧＲ弁１８はモード切換判定の時点ｔ₁で既に閉じられているので、残留ＥＧＲガスが圧縮ストイキモードでの燃焼を悪化させることはない。この後、残留ＥＧＲガスが吸気系から殆どパージされ、吸入空気量がスロットル開度に対して充分な応答性を回復した時点ｔ₃から吸気ストイキフィードバックモードを実行することにより、エンジン１は極端なトルクショックを伴うことなくスムーズに運転モードの切り換えを完了することができる。
【００３２】
更に本実施例の場合、圧縮ストイキモードの開始前に空燃比のテーリング処理を行うことで（ステップＳ１６〜Ｓ１８）、圧縮ストイキモードを実行するときのトルクショックをも低減できる。また、圧縮ストイキモードでテーリング処理を行う場合、このテーリング速度をエンジン１の要求運転状態（例えばスロットル開度、目標負荷Ｐｅ、アクセル開度等）に応じて適宜に変更するようにしてもよい。また、このとき燃料の噴射から点火までの時間を、テーリング処理に合わせて延長することで、スモークの発生が有効に抑えられる。
【００３３】
一方、吸気ストイキモードから圧縮リーンモードへの切り換えの場合にあっては、モード切換判定の時点ｔ₄から直ちに圧縮ストイキモードを実行することで、エンジン１は極端な空燃比の変化を伴うことなく成層燃焼の形態に移行する。この後、エンジン１はリーン空燃比燃焼に適した燃焼形態のまま圧縮リーンモードに移行することができ、極端なトルクショックを伴うことなく運転モードの切り換えを完了することができる。
【００３４】
また本実施例では、圧縮ストイキモードの開始時点ｔ₄から空燃比を次第にリーン化させることで（ステップＳ３８〜Ｓ４０）、トルクショックの低減及び排ガス特性悪化の抑制が図られる。なお、このときＥＧＲガスの導入を併せて行っていれば、排ガス特性を更に向上することができる。
上述の実施例では、圧縮リーンモードと吸気ストイキフィードバックモードとの間の切り換えの場合のみを挙げているが、吸気行程噴射モードに含まれる他のモードとの間の切換時であっても、本発明は有効に機能することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の筒内噴射型内燃機関（請求項１，２）によれば、その運転条件に関わらず、極端なトルクショックを生じることなくスムーズに燃焼形態の切り換えを実現することができる。従って、例えば車両用の内燃機関にあっては、運転者に与える違和感は極めて少なくなり、車両のドライバビリティを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例をなす筒内噴射型ガソリンエンジンの構成を概略的に示した図である。
【図２】モード切換制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】図２とは別のモード切換制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】図２及び図３のモード切換制御ルーチンの実行に伴う各種処理のタイミング線図である。
【符号の説明】
１エンジン
６燃料噴射弁
２０ＥＣＵ（モード選択手段、モード切換手段）

Claims

主に吸気行程中に燃料を噴射して理論空燃比の近傍で均一燃焼させる第１運転モード及び主に圧縮行程中に燃料を噴射してリーン空燃比で成層燃焼させる第２運転モードを有し、内燃機関の運転状態に応じて前記第１及び第２運転モードの一方を選択して実行するモード選択手段と、
前記モード選択手段により前記各運転モード間で相互に選択が切り換えられたとき、新規に選択された運転モードの実行に先立ち、圧縮行程中に燃料を噴射し且つ理論空燃比の近傍で成層燃焼させる移行モードを実行するモード切換手段と
を具備し、
前記モード切換手段は、前記第２運転モードから前記第１運転モードへの切り換え時、移行モードの実行に先立ち、空燃比を理想空燃比に向けて第１空燃比値間まで徐々に近付けるテーリング処理を実行し、このテーリング処理の後、空燃比を前記第１空燃比値から理論空燃比近傍にステップ的に変化させて前記移行モードを実行することを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
前記第１運転モードから前記第２運転モードへの切り換え時に実行される移行モードでは、空燃比が理想空燃比近傍からリーン空燃比側に向けて第２空燃比値まで徐々に変化され、前記第２空燃比値は前記第１空燃比値よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関。