JP4583626B2 - エンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮着火制御時の運転領域を監視し、運転領域が変動した場合は燃焼形態を切換えるようにしたエンジンの燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
４サイクルエンジンの熱効率を向上させる手段として、混合気をリーン化させることで作動ガスの比熱比を大きくして理論熱効率を向上させることが知られている。又、混合気をリーン化することにより、同じトルクで運転する場合でも、より多くの空気をエンジンに吸入させるので、ポンピング損失を低減させることができる。
【０００３】
しかし、混合気のリーン化は燃焼期間の長期化や燃焼の不安定化を伴い限界がある。そこで、筒内噴射によって、混合気を成層化した状態のまま点火プラグの周囲に集め着火性を確保する成層燃焼により、この限界を拡げるようにしているが、成層燃焼では、点火プラグ周りにリッチ混合気を集中させるので、燃焼温度が高くなり、ＮＯｘが増大し易いという問題がある。
【０００４】
一方、ディーゼルエンジンは、圧縮着火により燃焼させるため熱効率が高く、空燃比の大幅なリーン化は可能であるが、高負荷時の空気利用率が悪いため、出力が低く、煤の排出を生じることがあり、排気ガス対策上問題となる。
【０００５】
そこで、このような問題を解決する手段として、ガソリン混合気を点火プラグを用いず、断熱圧縮により多点着火させる圧縮着火式エンジンが提案されている。圧縮着火燃焼を実現するためには、高温の残留ガス熱を利用して新気を活性化させる必要がある。その１つの方法として、排気弁の閉弁時期を早め、吸気弁の開弁時期を遅らせることで、排気上死点前後で両弁が閉弁する負のオーバラップ期間を形成し、排気行程後半から吸気行程前半にかけて残留ガスを燃焼室内に閉じ込め、この残留ガスの予圧昇温により、圧縮着火を促進させる技術が知られている（例えば特開２０００−６４８６３号公報参照）。
【０００６】
又、特開平２０００−３２０３３３号公報には、圧縮着火燃焼時の噴射タイミングをエンジン負荷とエンジン回転数とに基づいてマップ参照により設定すると共に、エンジン負荷に基づいて燃料噴射量を設定し、所定タイミングで所定量の燃料を筒内に直接噴射する技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した各先行技術に開示されている圧縮着火燃焼制御では、運転状態に応じて、負のバルブオーバラップ期間、燃料噴射タイミング、及び燃料噴射量を制御しているが、実際の圧縮着火現象は、混合気の温度、圧力、組成、時間履歴等の影響を複雑に受けるので、着火時期や燃焼の活発さを正確に予測することは困難である。そのため、特に、圧縮着火と火花点火との境界領域では、意に反して失火やノッキングが発生する等、燃焼が不安定化し易い傾向がある。
【０００８】
その結果、境界領域では、安定燃焼を得るために燃焼形態を火花点火としなければならず、圧縮着火領域が狭められてしまう不具合がある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑み、圧縮着火時の燃焼を安定化させ、圧縮着火領域の拡大を図ることの可能なエンジンの燃焼制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明によるエンジンの燃焼制御装置は、点火プラグと燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタとを備え、エンジン運転領域に応じて燃焼形態を圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とに切換えるエンジンの燃焼制御装置において、圧縮着火燃料噴射制御時の筒内情報検知手段からの筒内情報に基づき運転領域を調べ、運転領域が火花点火領域へ変動しているときは、上記圧縮着火燃料噴射制御による燃料噴射後の圧縮行程において火花点火制御の燃料噴射を行うと共に燃焼形態を前記火花点火燃焼に切換えることを特徴とする。
【００１１】
このような構成では、燃焼形態を圧縮着火燃焼に設定した後、筒内情報検知手段からの筒内情報に基づき運転領域を調べ、運転領域が変動しているときは、燃料を再度噴射すると共に燃焼形態を切換える。
【００１２】
この場合、好ましくは、１）上記筒内情報検知手段からの筒内情報は排気弁が閉弁して圧縮が開始された後に逐次読込まれることを特徴とする。
【００１３】
２）上記筒内情報は、圧縮行程時の筒内圧力、筒内温度、混合気組成の少なくとも一つであることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の一実施の形態を説明する。図１に圧縮着火式エンジンの全体構成図を示す。
【００１５】
同図の符号１はエンジン本体、２はピストン、３は燃焼室、４は吸気ポート、５は排気ポート、６は吸気弁、７は排気弁であり、吸気ポート４に連通する吸気通路８にスロットル弁９が介装されている。このスロットル弁９はスロットル開度を電子的に制御する電子制御スロットル装置（図示せず）に連設されている。
【００１６】
又、燃焼室３の頂面中央に筒内噴射用インジェクタ１１の噴孔が臨まされており、この筒内噴射用インジェクタ１１の噴射方向に対設するピストン２の頂面に湾曲凹面状のピストンキャビティ２ａが形成されている。更に、燃焼室３の一側（本実施の形態ではスキッシュエリア）に点火プラグ１２の発火部が臨まされている。又、吸気弁６と排気弁７とが、可変動弁機構１３ａ，１３ｂに各々連設されている。この各可変動弁機構１３ａ，１３ｂは、電磁動弁等を用いた連続可変動弁機構が採用されている。尚、符号１６はノックセンサ、１７は水温センサ、１８はＯ2センサである。
【００１７】
更に、エンジン本体１には、その検知部を燃焼室３に臨ませる筒内情報検知手段１９が固設されている。この筒内情報検知手段１９は筒内圧を検出する筒内圧センサ、筒内温度を検知する筒内温度センサ、筒内の混合気組成を検知する組成検知センサ等であり、更に、筒内情報検知手段１９としてレーザ光等を用いた光センサを採用することも可能である。筒内情報検知手段１９として光センサを採用することで、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０では、燃焼室３内に出射したレーザ光の反射光に基づいて筒内圧、、筒内温度、燃焼室３内の混合気組成等の情報を詳細に取得することができる。
【００１８】
これら各センサで検出した信号は電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０に入力される。電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０は、ＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、入力ポート２４、出力ポート２５等からなるマイクロコンピュータを中心として構成され、これらが双方向性バス２６によって相互に接続されている。
【００１９】
入力ポート２４には、上記各センサ以外に、設定クランク角度毎にクランクパルスを発生するクランク角センサ３１が接続されていると共に、アクセルペダル３２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ３３がＡ／Ｄ変換器３４を介して接続されている。又、出力ポート２５が吸気弁駆動回路３６ａ、排気弁駆動回路３６ｂを介して、各可変動弁機構１３ａ，１３ｂに個別に接続され、点火駆動回路３６ｃを介して点火プラグ１２に接続され、更に、インジェクタ駆動回路３６ｄを介して筒内噴射用インジェクタ１１に接続されている。
【００２０】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０は、クランク角センサ３１からの信号に基づいて算出したエンジン回転数Ｎｅと、負荷センサ３３からの信号に基づいて検出したエンジン負荷Ｌｏとに基づき運転領域が圧縮着火領域にあるか、火花点火領域にあるかを調べ、圧縮着火領域にあるときは、スロットル弁９を全開とし、最適な圧縮着火燃焼を得ることのできる燃料噴射量、噴射タイミング、及び吸排気弁６，７のバルブタイミングを設定する。又、運転領域が火花点火領域にあるときは、通常の火花点火制御を実行する。
【００２１】
更に、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０では、排気弁７が閉弁されて圧縮が開始された後に、筒内情報検知手段１９で検出した筒内情報を逐次読込み、この筒内情報（筒内圧、筒内温度、混合気組成、及びそれらの時間履歴等）に基づき、燃料噴射量、及び吸排気弁６，７のバルブタイミングを補正し、適正な圧縮着火燃焼が得られるように制御する。
【００２２】
筒内情報検知手段１９で検出した筒内情報は、圧縮着火直前まで取得され、その筒内情報（筒内圧、筒内温度、混合気組成等）に基づき、筒内圧、筒内温度、混合気組成、及びそれらの時間履歴等が圧縮着火可能な許容範囲に収まっているか否か、すなわち運転領域が変動しているか否かを調べる。そして、運転領域が火花点領域（III）側へ変動しているときは、失火やノッキングが発生し易いため、燃焼形態を火花点火燃焼に切換え、筒内噴射用インジェクタ１１から燃料を再度噴射すると共に、火花点火による成層燃焼を実現させる。一方、運転領域が変動していないときは、圧縮着火燃焼を継続させる。
【００２３】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０で実行される燃焼制御は、具体的には、図２に示す燃焼制御ルーチンに従って処理される。このルーチンでは、先ずステップＳ１でエンジン負荷Ｌｏとエンジン回転数Ｎｅとに基づき、図４に示す運転領域判定マップを補間計算付で参照して、運転領域を調べる。同時に示すように、本実施の形態では低負荷且つ低中回転領域の成層圧縮着火領域（Ｉ）、中負荷且つ低中回転領域の均一圧縮着火領域（II）、それ以外の領域の火花点火領域（III）の３領域に区分され、各領域毎に燃料噴射量、噴射タイミング、及びバルブタイミング等が設定される。そして、運転領域が圧縮着火領域（(I)或いは(II)）にあるときは、ステップＳ２へ進み、又、火花点火領域（III）にあるときはステップＳ７へ分岐する。
【００２４】
ステップＳ２へ進むと、圧縮着火制御を実行し、ステップＳ３へ進む。この圧縮着火制御は、図３に示す圧縮着火制御ルーチンに従って処理される。このルーチンでは、先ず、ステップＳ１１でスロットル弁９を全開動作させ、続くステップＳ１２で筒内情報検知手段１９で検知した筒内情報（筒内圧、筒内温度、混合気組成等）を読込み、ステップＳ１３へ進む。
【００２５】
ステップＳ１３では、負のバルブオーバラップ期間を、エンジン負荷Ｌｏをパラメータとして補間計算付で参照して設定する。この負のバルブオーバラップ期間は、エンジン負荷Ｌｏが低くなるに従い吸気弁６の開弁時期ＩＶＯを遅角させると共に、排気弁７の閉弁時期ＥＶＣを進角させる制御が行なわれ、更に、この吸気弁６の開弁時期ＩＶＯが筒内情報に基づいて、残留ガスを圧縮するために要した仕事が効率よく回収されるクランク角となるように補正される。
【００２６】
そして、排気弁７の閉弁時期に達したとき可変動弁機構１３ａに閉弁信号を出力し、又、吸気弁６の開弁時期に達したとき可変動弁機構１３ｂに開弁信号を出力する。その結果、エンジン負荷Ｌｏが低くなるに従い、排気上死点（ＴＤＣ）の前後で、両弁６，７が閉弁する期間（負のバルブオーバラップ期間(図５参照)）が広くなる。これにより、残留ガスの熱エネルギの低い低負荷運転時であっても、残留ガス量を増大させることで比熱比が高められ圧縮着火が可能となる。又、吸気弁６の開弁時期が筒内情報に基づいて補正されるため、ポンピング損失を軽減することができるばかりでなく、高い熱効率を得ることができる。
【００２７】
その後、ステップＳ１４へ進み、圧縮着火燃料噴射制御を行う。この圧縮着火燃料噴射制御は、燃料噴射量と燃料噴射タイミングとを可変設定する。燃料噴射量は、エンジン負荷Ｌｏに基づき、エンジン負荷Ｌｏが低下するに従い空燃比を次第にリーンにする制御が行なわれる。又、燃料噴射タイミングは、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ｌｏとに基づき、図４に示す運転領域判定マップを参照して設定され、例えば、運転領域が成層圧縮着火領域（Ｉ）にあるときは、吸気上死点（ＢＤＣ）より遅い時期、すなわち圧縮行程開始後に設定し、一方運転領域が均一圧縮着火領域（II）にあるときは排気弁７が閉弁（負のバルブオーバラップ期間開始）したときから吸気下死点（ＢＤＣ）にかけての、比較的早い時期に設定する。
【００２８】
圧縮行程開始後の比較的遅い時期に筒内噴射用インジェクタ１１から燃焼室３に燃料を噴射することで、圧縮着火燃焼可能なガス温度に到達しつつある燃焼室３内に燃料濃度の高い成層化された混合気が局所的に生成され、極めて希薄な空燃比での成層圧縮着火燃焼が可能となる。一方、燃料噴射タイミングを排気弁７が閉弁後の比較的早期に設定することで、燃焼室３のガス温度が自着火可能温度に達する前に均一混合気を生成させることができ、自着火温度に達したとき、燃焼室３内の混合気が一斉に着火して火炎が伝播しない燃焼、いわば無限数の点火プラグを配したような多点着火燃焼（均一圧縮着火燃焼）が実現される（図５参照）。
【００２９】
そして、ステップＳ１４で圧縮着火燃料噴射制御が終了すると、ルーチンを抜け、図２に示す燃焼制御ルーチンのステップＳ３へ進む。
【００３０】
この燃焼制御ルーチンのステップＳ３では、筒内情報検知手段１９で検知した筒内情報（筒内圧、筒内温度、混合気組成等）を再度読込み、ステップＳ４で、筒内情報に基づき、運転領域を再度判定する。
【００３１】
この運転領域は、例えば各クランク角毎の筒内圧、筒内温度、混合気組成、及びそれらの時間履歴が予め設定した許容範囲に収まっているか否かで判定する。
【００３２】
そして、運転領域が圧縮着火領域（(Ｉ)或いは(II)）にあるときは、ステップＳ５又はステップＳ６へ進む。一方運転領域が火花点火領域（III）側へ変動していると判定したときは、失火やノッキングの発生が予測されるため圧縮着火条件不成立とし、ステップＳ７へ進む。
【００３３】
ステップＳ７へ進むと、燃焼形態を圧縮着火燃焼から成層火花点火燃焼へ切換えるべく、成層火花点火制御を実行し、ルーチンを抜ける。成層火花点火制御では、点火プラグ１２に対して所定タイミングで点火信号を出力し、火花点火させると共に、点火時において点火プラグ１２の発火部周囲に濃い混合気が成層状態のまま形成されるタイミングで筒内噴射用インジェクタ１１から燃料を噴射させる。その結果、図５に示すように、燃料が当初の圧縮着火制御時と今回の成層火花点火制御時との２回噴射されることになる。
【００３４】
又、ステップＳ４で、運転領域が均一圧縮着火領域（II）にあると判断されて、ステップＳ５へ進むと、均一圧縮着火燃焼を実行してルーチンを抜ける。又、ステップＳ４で運転領域が成層燃焼領域（Ｉ）に判断されてステップＳ６へ進むと、成層圧縮着火させるために２度目の燃料噴射を行なう。
【００３５】
このように、各運転領域（Ｉ，II，III）は、燃焼形態が大きく相違する制御を行なっており、従って、図４のハッチングで示す境界領域では、筒内圧、筒内温度など微妙な影響を受けて燃焼変動し易いが、本実施の形態のように、運転領域が変動した場合に、燃焼形態を適切に切換えることで、常に最適な燃焼を得ることができる。
【００３６】
その結果、圧縮着火制御においては、筒内情報を着火直前まで取得し、運転領域の変動を監視しているので、失火やノッキングの発生が有効に回避され、安定した燃焼が得られるばかりでなく、よりリーンな空燃比での燃焼が可能となり、相対的に圧縮着火領域の拡大を図ることができる。
【００３７】
一方、ステップＳ１で運転領域が火花点火領域にあると判定されて、ステップＳ８へ進むと、通常火花点火制御を実行してルーチンを抜ける。この通常火花点火制御では、先ず、スロットル弁９の全開動作を解除してアクセルペダル３２に連動させた動作とし、更に、可変動弁機構１３ａ，１３ｂに対し、吸気弁６、排気弁７が排気行程終期から吸気行程初期にかけて共に開弁する正のバルブオーバラップ期間となるタイミングの駆動信号を出力すると共に、燃料噴射量、燃料噴射時期、及び点火時期等を通常の火花点火制御に戻す。尚、これらの制御は公知であるため、ここでの説明は省略する。
【００３８】
このように、本実施の形態では、圧縮着火制御においては、筒内情報に基づき吸気弁６の開弁時期を補正するようにしたので、最適なタイミングで吸気弁６を開弁させることで、ポンピング損失が軽減され、高い熱効率を得ることができる。
【００３９】
更に、圧縮着火制御後も着火直前まで、筒内情報に基づき、正常な圧縮着火が可能か否かを調べているので、圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との境界領域での失火やノッキング等、燃焼の不安定化を有効に回避することができる。又、境界領域での燃焼の不安定化が回避されるため、相対的に圧縮着火領域を拡大させることができるばかりでなく、空燃比のより一層のリーン化を実現することができる。
【００４０】
尚、本発明は上述した実施の形態に限るものではなく、例えば通常の火花点火制御時においても筒内情報を読込み、この筒内情報に基づきノッキングの発生を予測し、ノッキングの発生が予測される場合は、筒内噴射用インジェクタ１１から燃料をもう一度噴射させて混合気を燃料冷却させることで、ノッキングを回避させるようにしても良い。又、圧縮着火時に運転領域の変動を検出した場合は、燃焼形態を成層火花点火燃焼とせず、均一火花点火燃焼に設定するようにしても良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、圧縮着火時の筒内情報を読込み、この筒内情報に基づき燃焼が不安定化し易い状況下では、燃焼形態を切換えるようにしたので、境界領域での失火やノッキング等の不安定燃焼が回避され、圧縮着火時の燃焼を安定化させることができるばかりでなく、相対的に圧縮着火領域を拡大することができ、しかもよりリーンな空燃比での安定燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮着火式エンジンの全体構成図
【図２】燃焼制御ルーチンを示すフローチャート
【図３】圧縮着火制御ルーチンを示すフローチャート
【図４】運転領域判定マップの説明図
【図５】バルブタイミングと筒内圧特性との関係を示す説明図
【符号の説明】
３ 燃焼室
１１ 筒内噴射用インジェクタ
１２ 点火プラグ
１９ 筒内情報検知手段

Claims (3)

1. 点火プラグと燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタとを備え、
   エンジン運転領域に応じて燃焼形態を圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とに切換えるエンジンの燃焼制御装置において、
   圧縮着火燃料噴射制御時の筒内情報検知手段からの筒内情報に基づき運転領域を調べ、
   運転領域が火花点火領域へ変動しているときは、上記圧縮着火燃料噴射制御による燃料噴射後の圧縮行程において火花点火制御の燃料噴射を行うと共に燃焼形態を前記火花点火燃焼に切換えることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
2. 上記筒内情報検知手段からの筒内情報は排気弁が閉弁して圧縮が開始された後に逐次読込まれることを特徴とする請求項１記載のエンジンの燃焼制御装置。
3. 上記筒内情報は、圧縮行程時の筒内圧力、筒内温度、混合気組成の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１或いは２記載のエンジンの燃焼制御装置。

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