JP4581794B2 - 火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は火花点火式エンジンの制御装置に関し、特に、予混合圧縮自己着火燃焼（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ−Ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ。この明細書で「圧縮自己着火」という）を行わせる運転モードを有する火花点火式エンジンの制御装置に関する。

火花点火式のエンジンにおいて、圧縮自己着火タイミングを促進するために、吸気を加熱する吸気加熱手段を有するエンジンが知られている。例えば特許文献１に開示された技術では、火花点火で強制着火を実行する高負荷運転から圧縮自己着火運転を実行する低負荷運転へ移行する際には、混合気の温度を上げて空燃比をリーンに変化させる一方、低負荷運転から高負荷運転へ移行する際には、混合気の温度を下げて空燃比をリッチ側に変化させることにより、失火領域とノッキング領域との間でポンピングロスの低下とノッキング防止との両立とを図っている。
特開２００３−２６９２０１号公報

ところで、圧縮自己着火運転を実行可能な運転領域を拡張するためには、圧縮自己着火運転が実行される運転領域と強制着火運転が実行される運転領域との間で空燃比と吸気温度とを変化させるだけでは充分ではなく、圧縮自己着火運転が実行される運転領域内においても空燃比と吸気温度とを運転状態に合わせて調整する必要がある。

しかしながら、特許文献１の発明では、圧縮自己着火運転が実行される運転領域内で空燃比と吸気温度を変更する制御は行われていなかった。このため、失火防止のために低負荷側の吸気温度を高く設定するとノッキングが生じる領域が広くなる一方、吸気温度を下げて高負荷側でのノッキングを回避しようとすると、低負荷側での失火が生じやすくなるため、圧縮自己着火運転を実行可能な運転領域を広く設定することができなかった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、より広範な運転領域で圧縮自己着火を実現することのできる火花点火式エンジンの制御装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は、気筒への吸気を加熱する吸気加熱手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段の検出に基づいて、吸気加熱手段を制御することにより、所定の運転領域で圧縮自己着火運転を実行する制御手段とを備えた火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、前記圧縮自己着火運転を実行する運転領域のうち、負荷が所定の低負荷以下でかつ最大熱発生率が圧縮上死点以降になる運転領域では、吸気温度を所定の高温度に維持し、負荷が前記所定の低負荷以下でかつ最大熱発生率が圧縮上死点よりも前になる運転領域では、圧縮自己着火が可能な最低温度に吸気温度を維持し、前記所定の低負荷を越える運転領域では、負荷の増加とともに吸気加熱を低減するように、前記制御手段が吸気加熱手段を制御するものであることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置である。

この態様では、圧縮自己着火運転が実行される運転領域のうち、負荷が所定の低負荷以下でかつ最大熱発生率が圧縮上死点以降になる範囲内で、吸気温度を高く維持することにより、低負荷側での失火を防止することができる。一方、負荷が前記所定の低負荷以下でかつ最大熱発生率が圧縮上死点よりも前になる範囲内では、吸気温度を必要最低限度の温度（例えば２７０℃）に維持することによって、過早燃焼による逆トルクの弊害を最小限に抑制しつつ、無負荷またはそれに近い状態で圧縮自己着火運転を実現することができる。さらに、エンジン負荷が所定の低負荷を超えると、負荷の増加に伴い吸気加熱を低減することにより、燃焼を緩慢化させてノッキング対策を図ることができる。この結果、圧縮自己着火運転の実行可能な運転領域を高負荷側に拡張し、高負荷側での燃費の向上を図ることが可能になる。

好ましい態様において、前記所定の高負荷運転領域で着火タイミングを促進する着火促進手段を設けている。この態様では、高負荷運転領域で圧縮自己着火運転を維持するに当たり、所定の低負荷を越えた時点で着火促進手段によって混合気の着火タイミングが促進されることにより、混合気の燃焼が過度に緩慢になるのを抑制し、高いトルクを出力することが可能になる。

好ましい態様において、前記着火促進手段は、一気筒当たり複数の点火プラグと、点火プラグを圧縮自己着火の開始前に多点点火する前記制御手段とによって構成されている。この態様では、比較的簡素な構成で確実に着火タイミングの促進を実現することが可能になる。

好ましい態様において、前記所定の高負荷運転領域で着火後の混合気の燃焼速度を促進する燃焼速度促進手段を設けている。この態様では、高負荷運転領域で圧縮自己着火運転を維持するに当たり、所定の低負荷を越えた時点で燃焼速度促進手段によって着火後の混合気の燃焼速度が促進されることにより、混合気の燃焼が過度に緩慢になるのを抑制し、混合気の燃焼エネルギーを高めて高いトルクを出力することが可能になる。

好ましい態様において、前記燃焼速度促進手段は、一気筒当たり複数の点火プラグと、点火プラグを圧縮自己着火の開始後に多点点火する前記制御手段とによって構成されている。この態様では、比較的簡素な構成で確実に燃焼速度の促進を実現することが可能になる。

好ましい態様において、ＥＧＲガスを吸気通路に還流する外部ＥＧＲシステムを設け、前記所定の高負荷運転領域の少なくとも高負荷側でＥＧＲガスを吸気通路に導入するように制御手段が外部ＥＧＲシステムを制御する。この態様では、圧縮自己着火が緩慢になる所定の高負荷運転領域では、外部ＥＧＲシステムによってＥＧＲガスが導入されるので、着火促進手段による着火タイミングや燃焼速度促進手段による燃焼速度の促進を適度に保ちつつ、ノッキングを回避し、しかも良好な排気性能を得ることが可能になる。

好ましい態様において、前記エンジンは、当該クランクシャフトの回転方向が右回りになる側から見て気筒のシリンダボア中心がクランクシャフトの回転中心から右側にオフセットしている。この態様では、気筒のシリンダボア中心がクランクシャフトの回転中心からオフセットすることにより、ピストンの昇降速度が上死点に対して非対称になり、膨張行程でのピストンの下降速度が相対的に遅くなる。このため、ピストンの下降速度に比べて燃焼速度が相対的に速くなるので、良好な燃焼環境を維持することができ、ピストンに作用するエネルギーが高くなって燃費の向上を図ることが可能になる。

好ましい態様において、前記所定の高負荷運転領域を越える高負荷領域では、吸気加熱手段を停止して火花点火を行うものである。

以上説明したように、本発明では、圧縮自己着火運転を実行可能な運転領域を高負荷側に拡張し、高負荷側での燃費の向上を図ることが可能になるので、より広範な運転領域で圧縮自己着火を実現することができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る制御装置１０の概略構成を示す構成図であり、図２は図１に係る４サイクルガソリンエンジン２０の一つの気筒の構造を示す断面略図である。

図１および図２を参照して、図示の制御装置１０は、４サイクルガソリンエンジン２０と、このエンジン２０を制御するためのコントロールユニット１００とを備えている。

エンジン２０は、クランクシャフト２１を回転自在に支持するシリンダブロック２２と、シリンダブロック２２の上部に配置されたシリンダヘッド２３とを一体的に有しており、これらシリンダブロック２２およびシリンダヘッド２３には、複数の気筒２４が設けられている。

各気筒２４には、コンロッド２５を介してクランクシャフト２１に連結されたピストン２６と、ピストン２６が気筒２４内に形成する燃焼室２７とが設けられている。本実施形態において、各気筒２４の幾何学的圧縮比は１４に設定されている。

図２を参照して、本実施形態に係るエンジン２０は、当該クランクシャフト２１の回転方向が右回りになる側（すなわち図２の状態）から見て気筒２４のシリンダボア中心Ｚがクランクシャフト２１の回転中心Ｏから右側にオフセットしている。このオフセット量Ｓは、気筒２４のボア径が７０ｍｍの場合、例えば１ｍｍ〜２ｍｍに設定されている。

図３は本実施形態におけるピストンのモデル図である。

同図を参照して、コンロッド２５とピストン２６とを連結する連結ピン２５ａの回転中心とコンロッド２５とクランクシャフト２１とを連結する連結ピン２５ｂの回転中心の距離をＡ_１、連結ピン２５ｂの回転中心とクランクシャフト２１の回転中心Ｏの距離をＡ_２、オフセット量をＳ、連結ピン２５ｂを通る鉛直線ＬＮ１とコンロッド２５のなす角度をα、クランクシャフト２１の角速度をωとする。

図３に基づくと、連結ピン２５ａの回転中心の座標（Ｘｐ，Ｙｐ）、連結ピン２５ｂの回転中心の座標（Ｘｃ，Ｙｃ）は、クランクシャフト２１の中心Ｏを通る水平線とシリンダボア中心Ｚとの交点座標を（０，０）とすると、それぞれ
（Ｘｐ，Ｙｐ）＝（０， Ａ_２ｃｏｓωｔ＋Ａ_１ｃｏｓα） ・・・（式１）
（Ｘｃ，Ｙｃ）＝（Ａ_２ｓｉｎωｔ−Ｓ， Ａ_２ｃｏｓωｔ） ・・・（式２）
となる。また、ピストン２６の拘束条件は
Ａ_２ｓｉｎωｔ−Ｓ＝Ａ_１ｓｉｎα ・・・（式３）
となる。ここで（式３）の両辺を微分すると

・・・（式４）
が得られる。

次に（式１）のＹｐ成分をｔで微分し、（式４）を代入して、ピストン２６の速度ｖを求めると

・・・（式５）
が得られる。また、（式３）より

・・・（式６）
であるから、（式６）を（式５）に代入すると、

・・・（式７）
が得られる。

図４は、クランク角度に対するピストンの速度を表わすグラフである。また、図５はクランク角度とピストン移動量の関係を示すモデル図である。

図４および図５を参照して、（式５）から明らかなように、オフセット量Ｓ＝０の場合、ｔａｎα＝０であるから、ピストン２６の速度ｖは、正弦波と等しくなる。

これに対して、オフセット量Ｓ＞０とした場合、（式５）（式７）の第２項の値によって、ピストン２６の波形は非対称となり、ピストン２６が最も高速で移動する点Ｐ_１、Ｐ_２（ピストン２６の上死点を通る直線が連結ピン２５ｂの軌跡２５Ｌ上になす接点）は、左右非対称となる。この結果、仮に、ピストン２６が上死点にある時の点Ｐ_０を中心に前後同量のクランク角度ωｔ（＝３０°）の移動量Ｙ_１、Ｙ_２を考えると、図５から明らかなように、上死点近傍から上死点に至るまでの移動量Ｙ_１は比較的大きくなり、ピストン２６は、速い速度で移動するのに対し、上死点を越えた後の移動量Ｙ_２は比較的小さくなり、ピストン２６は、比較的遅い速度で移動することになる。

図６は気筒２４を拡大して示す平面略図である。

図６を参照して、シリンダヘッド２３の下面には、気筒２４毎に燃焼室２７の天井部が構成され、この天井部は中央部分からシリンダヘッド２３の下端まで延びる２つの傾斜面を有するいわゆるペントルーフ型となっている。

前記燃焼室２７の天井部には各々独立した２つの吸気ポート２８および排気ポート２９が概ね対称形に開口しており、各ポート２８、２９の開口端に吸気弁３０および排気弁３１が設けられている。

燃焼室２７の側部には、コントロールユニット１００からの燃料噴射パルスを受けて、このパルス幅に対応する燃料を燃焼室２７に噴射する燃料噴射弁３２が設けられている。

図２も参照して、各気筒２４には、シリンダヘッド２３に固定され、燃焼室２７内にスパークを発する３個の点火プラグ３４が配設されている。各点火プラグ３４は、ピストン２６の稜線部分と平行なシリンダ直径沿いに並んでおり、中央のものがシリンダボア中心Ｚ上に配置され、両側のものが燃焼室２７の側縁に配置されている。各点火プラグ３４には、電子制御による点火タイミングのコントロールが可能な点火回路３５が接続されており、この点火回路３５がコントロールユニット１００に制御されることにより、点火プラグ３４は、選択的に点火制御されるようになっている。

次に図２を参照して、各気筒２４の吸気弁３０および排気弁３１には、それぞれ公知のタペットユニット３６が設けられている。タペットユニット３６は、シリンダヘッド２３に設けられた動弁機構のカム軸３７、３８のカム３７ａ、３８ａによって、周期的に駆動されるものである。また、吸気弁３０に対する動弁機構には、吸気弁３０の開閉タイミングを変更可能とする可変バルブタイミング機構４０が設けられている。この可変バルブタイミング機構４０は、吸気弁開時期を吸気上死点付近とする第１のタイミングとこれよりも吸気弁開時期を進角させた第２のタイミングとにわたり、運転状態に応じてバルブタイミングを変更するものである。

次に、図１および図２を参照して、エンジン２０の吸気ポート２８には、インテークマニホールド４２の分岐吸気管４３が接続している。分岐吸気管４３は、気筒２４毎に設けられており、それぞれがインテークマニホールド４２に等長の吸気経路を形成した状態で接続されている。図示の実施形態において、各気筒２４には、２つ一組の吸気ポート２８が形成されており、前記分岐吸気管４３の下流端は、各気筒２４の吸気ポート２８に対応して二股に形成されている。分岐吸気管４３の上流側合流部分には、開閉弁４４が設けられている。開閉弁４４は、三方電磁弁で具体化されたものであり、アクチュエータ４５によって、個別に分岐吸気管４３の集合部分を所望量だけ開閉できるように構成されている。他方、二股に分岐した分岐吸気管４３の一方の分岐部分には、図２に示すように周知のスワール生成用開閉弁４３ａが設けられている。このスワール生成用開閉弁４３ａはアクチュエータ４３ｂにより駆動されて開閉作動するもので、このスワール生成用開閉弁４３ａにより当該分岐吸気管４３の一方の分岐部分が閉じられたときは他方の分岐部分を通る吸気によって燃焼室２７内にスワールが生成され、スワール生成用開閉弁４３ａが開かれるにつれてスワールが弱められるようになっている。

インテークマニホールド４２の上流側には、新気をインテークマニホールド４２内部に導入するための吸気通路４６が接続されている。この吸気通路４６には、スロットルバルブ４７が設けられている。このスロットルバルブ４７の上流側には、三方電磁弁４８が設けられており、この三方電磁弁４８に接続されたバイパス通路４９には、吸気加熱手段としてのヒータ５０が設けられている。従って、三方電磁弁４８を切換えることにより、外気の新気をそのままインテークマニホールド４２に導入したり、ヒータ５０で加温された空気をインテークマニホールド４２に導入したりすることができるようになっている。

次に、図１に示すように、排気ポート２９には、各気筒２４に２つ一組で形成された二股状の分岐排気管５１が接続されている。各分岐排気管５１の下流端は、エキゾーストマニホールド５２に接続されている。このエキゾーストマニホールド５２には、既燃ガスを排出する排気通路５３が接続されている。

次に、図１、図２を参照して、前記インテークマニホールド４２、エキゾーストマニホールド５２の間には、排気された既燃ガスをインテークマニホールド４２に還流させる外部ＥＧＲシステム６０が設けられている。

外部ＥＧＲシステム６０は、インテークマニホールド４２とエキゾーストマニホールド５２との間に形成された還流通路６１に接続され、ＥＧＲクーラ６２と、ＥＧＲ弁６３と、ＥＧＲ弁６３を駆動するアクチュエータ６４とを備えた公知のバルブシステムである。

図７は図１の実施形態に係る吸気加熱手段としての吸気加熱システム７０の構成を示す構成図である。

図７を参照して、吸気通路４６には、スロットルバルブ４７の上流側に三方電磁弁４８が設けられており、この三方電磁弁４８に接続されたバイパス通路４９には、ヒータ５０が設けられている。この三方電磁弁４８は、開閉弁４４と同様に、コントロールユニット１００の制御により、開弁割合を変更可能に構成されている。従って、三方電磁弁４８を切り換えることにより、所望の割合で外気をインテークマニホールド４２に導入したり、ヒータ５０で加温された空気をインテークマニホールド４２に導入したりすることができるようになっている。

さらに吸気通路４６には、加熱通路７１が分岐接続されている。この加熱通路７１の途中には、冷却水熱交換器７２と、排気熱交換器７３が接続されている。

加熱通路７１は、各熱交換器７２、７３を経て吸熱した熱を吸気側に還流するためのものである。加熱通路７１の下流側には、気筒２４毎に分岐した分岐管７１ａが設けられ、各分岐管７１ａは、対応する開閉弁４４の吸気側のポートに接続されている。

冷却水熱交換器７２は、エンジン２０の水冷システム７４に接続されて、エンジン２０からラジエータ（図示せず）に還流する冷却水が吸収した熱を、加熱通路７１を通る吸気に吸収させるためのものである。

排気熱交換器７３は、エンジン２０の排気通路５３に接続されて、既燃ガスの熱を、加熱通路７１を通る吸気に吸収させるためのものである。排気熱交換器７３は、加熱通路７１において、冷却水熱交換器７２の下流側に配置されている。

本実施形態において、上述したヒータ５０と、これら熱交換器７２、７３が、吸気加熱システム７０の主要部を構成している。

図１を参照して、エンジン２０の運転状態を検出するために、吸気通路４６には、エアフローセンサＳＷ１が設けられ、開閉弁４４の下流には筒内温度を予測するための吸気温度センサＳＷ２（図２参照）が設けられている。また、シリンダブロック２２には、クランクシャフト２１の回転数を検出するクランク角センサＳＷ３および冷却水の温度を検出するエンジン水温センサＳＷ４が設けられている（図２参照）。さらに、排気通路５３には、空燃比を制御するための酸素濃度センサＳＷ５が設けられている。さらにヒータ５０には、温度センサＳＷ７が設けられており、ヒータ５０で加熱されたバイパス通路４９内の吸気の温度を検出することができるようになっている。

エンジン２０には、制御手段としてのコントロールユニット１００が設けられている。このコントロールユニット１００には、エアフローセンサＳＷ１、吸気温度センサＳＷ２、クランク角センサＳＷ３、エンジン水温センサＳＷ４、酸素濃度センサＳＷ５、エンジン負荷を検出するためのアクセル開度センサＳＷ６並びに温度センサＳＷ７が入力要素として接続されている。これら各センサＳＷ１〜ＳＷ７は、何れも本実施形態における運転状態検出センサの具体例である。他方、コントロールユニット１００には、開閉弁４４のアクチュエータ４５、スロットルバルブ４７のアクチュエータ、可変バルブタイミング機構４０、スワール生成用開閉弁４３ａのアクチュエータ４３ｂ、吸気通路４６の三方電磁弁４８、ヒータ５０、外部ＥＧＲシステム６０のアクチュエータ６４が制御要素として接続されている。

図１を参照して、コントロールユニット１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、インターフェース１０３並びにこれらのユニット１０１〜１０３を接続するバス１０４を有するものであり、メモリ１０２に記憶されるプログラム並びにデータによって、運転状態を判定する運転状態判定手段を機能的に構成している。

図８は、図１の実施形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定の一例を示す特性図である。また図９は、図８の部分負荷運転領域Ｄにおいて設定される空燃比、吸気温度、およびＥＧＲガス導入量の特性図である。

図８を参照して、図示の実施形態では、エンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎ１以下の部分負荷運転領域Ｄにおいて、圧縮自己着火運転を実行し、残余の領域では、火花点火による強制着火運転を実行するように設定されている。

圧縮自己着火運転を実行する部分負荷運転領域Ｄにおいて、空燃比は、図９に示すように、低負荷側から高負荷側に行くに連れて、ほぼ直線状にリッチ側に上昇するように設定されている。他方、吸気温度Ｔに関し、所定の低負荷以下の運転領域Ｄ₁、Ｄ_０では、図９に示すように、比較的吸気温度Ｔを高温に維持し、この低負荷を越える高負荷運転領域Ｄ₂側では、負荷の上昇に連れて吸気温度Ｔを下げるように設定されている。

図１０〜図１２はコントロールユニット１００に設定される制御条件の基礎となったクランク角度と熱発生率dQ/dθとの関係を示すグラフである。これらのグラフは、本件発明者の研究結果によって得られたものであり、コントロールユニット１００のメモリ１０２には、これらのグラフに基づく制御マップが記憶されている。なお各図において、破線で示す曲線はスロットル全開のときに圧縮自己着火可能な最小の燃料噴射量に設定した場合の特性、実線で示す曲線は破線と同じ吸気温度Ｔでノッキング限界まで空燃比を下げた場合の特性を表わしている。また、実線で示す曲線の符号は、吸気温度Ｔが対応する破線で示す曲線の符号に添え字を付加したものである。

図１０を参照して、圧縮自己着火によってエンジン２０を無負荷状態で運転する場合、吸気温度Ｔは、Ｔ１（＝２７０℃）に設定する必要がある。このＴ１では、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXが圧縮上死点よりも前に発生するため、このまま空燃比を下げると、逆トルクが大きくなる。また、Ｔ１よりも２０℃低いＴ２（＝２５０℃）でも、依然、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXは圧縮上死点よりも前に発生し、燃料噴射量を増やした場合、大きな逆トルクが発生する。そこで、本実施形態では、図９に示すように、圧縮自己着火運転を行うための吸気温度では、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXが圧縮上死点よりも前に発生する運転領域Ｄ_０では、吸気温度を圧縮自己着火運転に必要な最低限の温度にして、空燃比を超リーンに設定している。

次に、図１１を参照して、負荷が高くなった場合、吸気温度Ｔは、Ｔ３（＝２２５℃）、Ｔ４（＝２０５℃）、Ｔ５（＝１９０℃）、Ｔ６（＝１７５℃）、Ｔ７（＝１６０℃）の各曲線で示すように、圧縮上死点以降に最大熱発生率(dQ/dθ)MAXが現れる。そこで、本実施形態では、図９に示すように、運転領域Ｄ₁においては、吸気温度ＴをＴ３に保ち、ノッキング限界ぎりぎりまで燃料噴射量を増量するようにしている。

他方、運転領域Ｄ₂を越えると、吸気温度Ｔを負荷に応じて徐々にＴ４以降に低減することにより、ノッキングの発生を抑制しつつ、高負荷側へ圧縮自己着火運転が可能な運転領域を広く設定できるようにしている。

次に、図１２を参照して、各吸気温度特性Ｔ１〜Ｔ７を重ね合わせた場合、仮想線で示すように、概ね熱発生率dQ/dθが所定の値（約８０Ｊ/deg・m3）のところをピークとする山形のノッキング限界曲線を描くことになる。そこで本実施形態では、この所定の熱発生率dQ/dθ（約８０Ｊ/deg・m3）を上限として吸気温度Ｔを低減するように設定されている。なお図１２において、図の左側の直線は、各吸気温度Ｔ１〜Ｔ７での燃焼開始タイミングを示しており、右側の直線は、燃焼変動率が５％未満の燃焼終了（ＭＦＢ＝９５％）限界を表わしている。

ところで図１１および図１２を参照して、負荷状態がさらに高まり、これに伴って吸気温度Ｔを下げ続けると、混合気の燃焼は温度低下に比例して燃焼開始時期そのものが遅くなり、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXは徐々に圧縮下死点に近づくようになる。そのため、図１２で示すように、所定の低温Ｔ８（＝１５０℃）では、圧縮自己着火可能な空燃比がＡ/Ｆ＝３０（λ＝２）となり、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXもクランク角度で１５°を越えたところになってしまう。そこで、本実施形態では、外部ＥＧＲのない自然吸気エンジンの場合で、空燃比がλ２のところを境にして、図８の運転領域Ｄ₂の上限を決定し、運転領域Ｄ₂の上限を超える高負荷運転領域では、火花点火による強制着火運転を実行するように設定されている。

ところで、上述したように、吸気温度Ｔが下がるほど、燃焼開始時期は遅くなり、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXも圧縮上死点から圧縮下死点に向かって移行したクランク角度に表れるようになる。そこで本実施形態では、種々の方法によって、着火タイミングや燃焼速度を早めることにより、圧縮自己着火が可能な運転領域を高負荷側に拡張するようにしている。

図１３は本発明の実施形態に係る点火タイミングを示す図である。

図８、図９、並びに図１３を参照して、エンジンが、圧縮自己着火運転時の高負荷側の運転領域Ｄ₂に移行した場合、吸気温度Ｔが下がることにより、燃焼開始が遅くなり、図１３で示す仮想線のように最大熱発生率（dQ/dθ）MAXは、相当遅れることになる。ここで、本実施形態では、同運転領域Ｄ₂においては、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXが現れるよりも前のクランク角度ＣＡで多点点火ＳＰ_ｂｆを実行し、着火タイミングを促進するように設定されている。これにより、仮想線で示す特性から実線で示す特性のように、圧縮自己着火による着火タイミングが促進される。

さらに、同運転領域Ｄ₂において、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXが現れた後のクランク角度ＣＡで多点点火ＳＰ_ａｆを実行し、燃焼速度を促進するように設定されている。これにより、仮想線で示す特性から実線で示す特性のように、圧縮自己着火による燃焼速度が促進される。

ところで、図１３で示したような着火促進手段や燃焼速度促進手段を採用した場合、多点点火によってノッキングが生じやすくなる場合も想定される。そこで、本実施形態では図９に示すように、運転領域Ｄ₂において、高負荷側では外部ＥＧＲを導入するようにしている。

なお、図１３において、ＳＰは、圧縮上死点前において、スパークアシスト用の点火を示している。

以上説明したように本実施形態では、圧縮自己着火運転が実行される運転領域Ｄにおいて、燃焼安定性の悪い低負荷側の運転領域Ｄ_０、Ｄ₁では、吸気温度Ｔが高く維持されるので、低負荷側での失火を防止することができる。他方、エンジン負荷が所定の低負荷運転領域Ｄ₁を越えると、負荷の増加とともに吸気加熱が低減するので、吸気温度Ｔが下がり、燃焼が緩慢になるため、ノッキング対策が有利になる。この結果、圧縮自己着火運転を実行可能な運転領域Ｄを高負荷側に拡張し、高負荷側での燃費の向上を図ることが可能になる。

特に本実施形態では、圧縮自己着火運転を実行する運転領域Ｄにおいて、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXが圧縮上死点以降になる運転領域Ｄ₁では、吸気温度Ｔを所定の高温度に維持するとともに、エンジン負荷の増加に伴って吸気加熱を低減するようコントロールユニット１００がヒータ５０を制御するものである。このため本実施形態では、エンジン負荷が高まっても、高負荷側での圧縮自己着火運転を実行することが可能になる。すなわち、図１０〜図１２で示したように、負荷の増加に伴って吸気加熱を低減すると燃焼開始が遅くなり、最大熱発生率（（Ｊ/deg・m³）MAX）（dQ/dθ）MAXが圧縮下死点に向かって移行することがわかった。そこで、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXが圧縮上死点以降になる範囲内で当該吸気温度Ｔを最高に維持することにより、低負荷側での圧縮自己着火運転を維持するとともに、エンジン負荷の増加に伴って吸気加熱を低減することにより、圧縮自己着火運転の実行可能な運転領域Ｄを高負荷側に拡張することが可能となるのである。

また、本実施形態は、圧縮自己着火運転を実行する運転領域Ｄにおいて、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXが圧縮上死点よりも前になる運転領域Ｄ_０では、圧縮自己着火が可能な最低温度に吸気温度Ｔを維持するようコントロールユニット１００がヒータ５０を制御するものである。このため本実施形態では、吸気温度Ｔを必要最低限度の温度（例えば２７０℃）に維持することによって、過早燃焼による逆トルクの弊害を最小限に抑制しつつ、無負荷またはそれに近い状態で圧縮自己着火運転を実現することが可能になる。

また、本実施形態は、前記所定の高負荷運転領域Ｄで着火タイミングを促進する着火促進手段として、図１３で示した制御を行うようになっている。このため本実施形態では、高負荷運転領域Ｄで圧縮自己着火運転を維持するに当たり、所定の低負荷を越えた時点で混合気の着火タイミングが促進されることにより、混合気の燃焼が過度に緩慢になるのを抑制し、高いトルクを出力することが可能になる。

特に本実施形態において、前記着火促進手段は、一気筒当たり複数の点火プラグ３４と、点火プラグ３４を圧縮自己着火の開始前に多点点火する前記コントロールユニット１００とによって構成されている。このため本実施形態では、比較的簡素な構成で確実に着火タイミングの促進を実現することが可能になる。

また、本実施形態において、前記所定の高負荷運転領域Ｄで着火後の混合気の燃焼速度を促進する燃焼速度促進手段として、図１３で示した制御を行うようになっている。このため本実施形態では、高負荷運転領域Ｄで圧縮自己着火運転を維持するに当たり、所定の低負荷を越えた時点で着火後の混合気の燃焼速度が促進されることにより、混合気の燃焼が過度に緩慢になるのを抑制し、混合気の燃焼エネルギーを高めて高いトルクを出力することが可能になる。

特に本実施形態において、前記燃焼速度促進手段は、一気筒当たり複数の点火プラグ３４と、点火プラグ３４を圧縮自己着火の開始後に多点点火する前記コントロールユニット１００とによって構成されている。このため本実施形態では、比較的簡素な構成で確実に燃焼速度の促進を実現することが可能になる。

さらに本実施形態において、ＥＧＲガスを吸気通路４６に還流する外部ＥＧＲシステム６０を設け、前記所定の高負荷運転領域Ｄ₂の少なくとも高負荷側でＥＧＲガスを吸気通路４６に導入するようにコントロールユニット１００が外部ＥＧＲシステム６０を制御するものである。このため本実施形態では、圧縮自己着火が緩慢になる所定の高負荷運転領域Ｄ₂の高負荷側では、外部ＥＧＲシステム６０によってＥＧＲガスが導入されるので、着火促進手段による着火タイミングや燃焼速度促進手段による燃焼速度の促進を適度に保ちつつ、ノッキングを回避し、しかも良好な排気性能を得ることが可能になる。

特に本実施形態において、前記エンジン２０は、当該クランクシャフト２１の回転方向が右回りになる側から見て気筒のシリンダボア中心Ｚがクランクシャフト２１の回転中心Ｏから右側にオフセットしている。このため本実施形態では、気筒２４のシリンダボア中心Ｚがクランクシャフト２１の回転中心Ｏからオフセットすることにより、ピストン２６の昇降速度が上死点に対して非対称になり、膨張行程でのピストン２６の下降速度が相対的に遅くなる。このため、ピストン２６の下降速度に比べて燃焼速度が相対的に速くなるので、良好な燃焼環境を維持することができ、ピストン２６に作用するエネルギーが高くなって燃費の向上を図ることが可能になる。

なお、本実施形態においては、前記所定の高負荷運転領域Ｄを越える高負荷領域では、ヒータ５０を停止して火花点火が実行される。

このように本実施形態によれば、圧縮自己着火運転を実行可能な運転領域を高負荷側に拡張し、高負荷側での燃費の向上を図ることが可能になるので、より広範な運転領域で圧縮自己着火を実現することができるという顕著な効果を奏する。

本発明の実施の一形態に係る制御装置の概略構成を示す構成図である。 図１に係る４サイクルガソリンエンジンの一つの気筒の構造を示す断面略図である。 本実施形態におけるピストンのモデル図である。 クランク角度に対するピストンの速度を表わすグラフである。 クランク角度とピストン移動量の関係を示すモデル図である。 気筒を拡大して示す平面略図である。 図１の実施形態に係る吸気加熱手段としての吸気加熱システムの構成を示す構成図である。 図１の実施形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定の一例を示す特性図である。 図８の部分負荷運転領域において設定される空燃比、吸気温度、およびＥＧＲガス導入量の特性図である。 コントロールユニットに設定される制御条件の基礎となったクランク角度と熱発生率との関係を示すグラフである。 コントロールユニットに設定される制御条件の基礎となったクランク角度と熱発生率との関係を示すグラフである。 コントロールユニットに設定される制御条件の基礎となったクランク角度と熱発生率との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る点火タイミングを示す図である。

符号の説明

２０ ４サイクルガソリンエンジン
２１ クランクシャフト
２４ 気筒
２６ ピストン
２７ 燃焼室
３４ 点火プラグ
４６ 吸気通路
５０ ヒータ（吸気加熱手段の一例）
６０ 外部ＥＧＲシステム（外部ＥＧＲ装置の一例）
１００ コントロールユニット
ＣＡ クランク角度
Ｄ 部分負荷運転領域
Ｄ_０、Ｄ₁ 低負荷運転領域
Ｄ₂ 高負荷運転領域
dQ/dθ 熱発生率
（dQ/dθ）MAX 最大熱発生率
Ｎ エンジン回転数
Ｏ 回転中心
Ｓ オフセット量
ＳＷ１ エアフローセンサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ２ 吸気温度センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ３ クランク角センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ４ エンジン水温センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ５ 酸素濃度センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ６ アクセル開度センサ（運転状態検出手段の一例）
Ｔ 吸気温度
Ｚ シリンダボア中心
ωｔ クランク角度

Claims (8)

1. 気筒への吸気を加熱する吸気加熱手段と、
   エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   運転状態検出手段の検出に基づいて、吸気加熱手段を制御することにより、所定の運転領域で圧縮自己着火運転を実行する制御手段と
   を備えた火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
   前記圧縮自己着火運転を実行する運転領域のうち、負荷が所定の低負荷以下でかつ最大熱発生率が圧縮上死点以降になる運転領域では、吸気温度を所定の高温度に維持し、負荷が前記所定の低負荷以下でかつ最大熱発生率が圧縮上死点よりも前になる運転領域では、圧縮自己着火が可能な最低温度に吸気温度を維持し、前記所定の低負荷を越える運転領域では、負荷の増加とともに吸気加熱を低減するように、前記制御手段が吸気加熱手段を制御するものであることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記所定の高負荷運転領域で着火タイミングを促進する着火促進手段を設けていることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
3. 請求項２記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記着火促進手段は、一気筒当たり複数の点火プラグと、点火プラグを圧縮自己着火の開始前に多点点火する前記制御手段とによって構成されていることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
4. 請求項２または３記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記所定の高負荷運転領域で着火後の混合気の燃焼速度を促進する燃焼速度促進手段を設けていることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
5. 請求項４記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記燃焼速度促進手段は、一気筒当たり複数の点火プラグと、点火プラグを圧縮自己着火の開始後に多点点火する前記制御手段とによって構成されていることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
6. 請求項２から５の何れか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   ＥＧＲガスを吸気通路に還流する外部ＥＧＲシステムを設け、
   前記所定の高負荷運転領域の少なくとも高負荷側でＥＧＲガスを吸気通路に導入するように制御手段が外部ＥＧＲシステムを制御するものであることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記エンジンは、当該クランクシャフトの回転方向が右回りになる側から見て気筒のシリンダボア中心がクランクシャフトの回転中心から右側にオフセットしていることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
8. 請求項１から７の何れか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記所定の高負荷運転領域を越える高負荷領域では、吸気加熱手段を停止して火花点火を行うものであることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
   

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