[第1の実施形態]
以下、図1〜図20を用いて、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図1を用いて、本実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用したエンジンシステムの構成について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用したエンジンシステムの構成を示すシステム構成図である。
エンジン100は、火花点火式燃焼と圧縮自己着火式燃焼を実施する自動車用ガソリンエンジンである。吸入空気量を計測するエアフローセンサ1と、吸気流量を調整する電子制御スロットル2とが、吸気管6の各々の適宜位置に備えられている。また、エンジン100には、シリンダ7とピストン14とで囲われる燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ3と、点火エネルギーを供給して燃焼室に噴射された燃料に点火する点火プラグ(点火装置)4と、がシリンダ7の各々の適宜位置に備えられている。
また、筒内に流入する吸入ガスを調整する吸気バルブ5aと筒内から排出される排気ガスを調整する排気バルブ5bとから構成される可変バルブ5と、がシリンダ7の各々の適宜位置に備えられている。尚、吸気バルブ5aは、燃焼室の一部を形成するシリンダ7の吸気側に設けられ、作動タイミングを制御可能であり、排気バルブ5bは、シリンダ7の排気側に設けられ作動タイミングを制御可能であり、これら可変バルブ5を、可変動弁5A、5A’、5B、5B’を介して、後述する制御装置20で制御することにより、筒内に残留する排ガス量である内部EGR量を調整することができる。
さらに、エンジン100には、排気を浄化する三元触媒10と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒10の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ9と、排気温度検出器の一態様あって、三元触媒10の上流側にて排気の温度を計測する排気温度センサ11とが排気管8の各々の適宜位置に備えられる。また、クランク軸12には、回転角度を算出するためのクランク角度センサ13が備えられている。さらに、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ17が備えられている。
エアフローセンサ1と空燃比センサ9と排気温度センサ11とクランク角度センサ13とから得られる信号は、エンジンコントロールユニット(制御装置:ECU)20に送られる。また、アクセル開度センサ17から得られる信号は、ECU20に送られる。尚、アクセル開度センサ17は、アクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する。ECU20は、アクセル開度センサ17の出力信号に基づいて、要求トルクを演算する。すなわち、アクセル開度センサ17は、エンジンへの要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。また、ECU20は、クランク角度センサ13の出力信号に基づいて、エンジンの回転速度を演算する。ECU20は、上記各種センサの出力から得られるエンジンの運転状態に基づき、空気流量、燃料噴射量、点火時期のエンジンの主要な作動量を最適に演算する。
ECU20で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、インジェクタ3に送られる。また、ECU20で演算された点火時期で点火されるように、点火プラグ駆動信号が点火プラグ4に送られる。また、ECU20で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル2に送られる。また、ECU20で演算された可変バルブの作動量は、可変バルブ駆動信号として、吸気バルブ5a及び排気バルブ5bからなる可変バルブ5へ送られる。
次に、図2を用いて、本実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置の構成について説明する。
図2は、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図である。
エアフローセンサ1、空燃比センサ9、排気温度センサ11、クランク角度センサ13の出力信号は、ECU20の入力回路20aに入力される。但し、入力信号はこれらだけに限られず、上述した信号も入力される。入力された各センサの入力信号は入出力ポート20b内の入力ポートに送られる。入力ポート20bに送られた値は、RAM20cに保管され、CPU20eで演算処理される。演算処理内容を記述した制御プログラムは、ROM20dに予め書き込まれている。
制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、RAM20cに保管された後、入出力ポート20b内の出力ポートに送られ、各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。本実施形態の場合は、駆動回路として、電子スロットル駆動回路20f、インジェクタ駆動回路20g、点火出力回路20h、可変バルブ駆動回路20jがある。各回路は、それぞれ、電子制御スロットル2、インジェクタ3、点火プラグ4、可変バルブ5を制御し、後述する燃焼制御を行う。本実施形態においては、ECU20内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをECU20内に備えるものであってもよい。
図3〜5は、図1に示す吸気バルブ5aと排気バルブ5bの作動状態を変更(作動特性を可変にする)可変動弁機構の作動状態を示す図であり、本実施形態におけるエンジン100の吸気バルブ5aと排気バルブ5bは、例えば、以下のような可変動弁機構により構成される。
図3は、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変更することにより、吸気バルブ(排気バルブ)の開閉タイミングを連続に可変にする可変バルブタイミング機構(例えば、VTC(Variable valve Timing Control)として一般的に知られた可変動弁機構)の作動状態を示しており、この可変バルブタイミング機構は、吸気バルブ(排気弁)の開時期(開弁時期)と閉時期(閉弁時期)の相対的な関係を一定に保持し、かつ、吸気バルブ(排気バルブ)のリフト量を一定に保持しながら、開時期(開弁時期)と閉時期(閉弁時期)を連続的に変更可能である。
図4は、カム軸上のバルブ作動特性の異なる(異なるカムプロフィルのカム)複数のカムを選択的に切換えることにより、バルブリフト量及びバルブタイミングを不連続に可変にする多段式バルブ可変機構(例えば、VVL(Variable Valve Lift control)として一般的に知られた可変動弁機構)の作動状態を示しており、この多段式バルブ可変機構は、吸気バルブ(排気バルブ)の開時期、閉時期、およびリフト量を所定のタイミングにて急速(不連続的)に変更可能である。例えば、本実施形態に係る多段式バルブ可変機構は、図4に示すように、実線のバルブ動作プロフィールと破線のバルブ動作プロフィールの2つのバルブ動作プロフィールのみを、選択的に切り替える機構のものである。
図5は、バルブ作動角の中心位相(中心角時期)を一定に保持し、吸気バルブ(排気バルブ)のリフト量を可変にする可変バルブリフト機構(例えば、VEL(Variable valve Event and Lift)として、一般的に知られた可変動弁機構)の作動状態を示しており、この可変バルブリフト機構は、開時期と閉時期の中間時期である中心角時期をほぼ一定として保ちながら、開時期から閉時期までの期間である開閉期間と、リフト量を同時に、連続的に変更可能である。
本実施形態では、排気バルブ5bが、可変バルブタイミング機構(例えばVTC)5Bと多段式バルブ可変機構(例えばVVL)5B’により構成された可変動弁機構により駆動し、吸気バルブ5aが、可変バルブタイミング機構(VTC)5Aと可変バルブリフト機構(VEL)5A’により構成された可変動弁機構により駆動し、各々のバルブの作動状態を変更可能であるものとする。
次に、図6を用いて、本実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置の燃焼モード切替の構成について説明する。
図6は、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置の燃焼モード切替の構成を示す制御ブロック図である。
ECU20は、火花点火式燃焼と圧縮自己着火式燃焼とで燃焼モードの切替を実施する際には、運転性能悪化を抑制する燃焼モードの切替制御を実行する。以下では、燃焼モードの切替制御における、火花点火式燃焼と圧縮自己着火式燃焼との燃焼モード切替制御について説明する。
ECU20は、燃焼モード切替判定部21と、火花点火式燃焼用操作量演算部22と、圧縮自己着火式燃焼用操作量演算部23と、燃焼モード切替部24とを備えている。なお、図示の各部は、燃焼モードの切替制御に用いるものであり、他の構成については図示を省略している。
燃焼モード切替判定部21は、エンジン100に要求される要求エンジントルクTe*と、エンジン回転速度Neとに基づいて、後述する図7のマップを用いて、燃焼モードを切替可能かを判定し、燃焼モード切替フラグFexをセットする。要求エンジントルクTe*は、前述したように、アクセル開度センサ17によって検出されたアクセル開度に基づいて、ECU20の内部で別途算出される。エンジン回転速度Neは、クランク角度センサ13の検出信号に基づいて、ECU20の内部で別途算出される。
ここで、図7を用いて、火花点火式燃焼モードと、圧縮自己着火式燃焼モードとの、燃焼領域について説明する。図7は、火花点火式燃焼モードと、圧縮自己着火式燃焼モードとの、燃焼領域の説明図である。図7において、横軸はエンジン回転速度Neを示し、縦軸はエンジントルクTeを示している。
火花点火式燃焼モード(SI:Spark Ignition)は、点火プラグ(点火装置)4によってインジェクタ3から噴霧された燃料に点火・燃焼させてエンジン(内燃機関)を作動させる燃焼モードであり、図7に示すように、エンジン回転速度Neの低回転速度から高回転速度まで、また、エンジントルクTeの低トルクから高トルクまでの広い領域で、実現可能である。
一方、圧縮自己着火式燃焼モード(HCCI:Homogeneous Charge Compression Ignition)は、燃焼室を形成するピストン14の上昇に伴う、シリンダ内の圧力上昇によってインジェクタ3から噴射された燃料を燃焼させて内燃機関(エンジン)を作動させるものであり、これを実現する方法としては、吸気加熱、高圧縮化、および内部EGR導入などの方法がある。この中で、コストおよび火花点火式燃焼モードでの運転を考慮すると、バルブタイミングの操作による内部EGR導入が実現性の高い方法である。内部EGR導入による圧縮自己着火式燃焼時には、火花点火式燃焼モードに比べて燃焼室内の内部EGR量を多量とする必要がある。これによって筒内に流入する新気量が制限されることと、混合気形成から燃焼に至るまでの化学反応に有限の時間が必要であることから、自然吸気エンジンでは、図7に示すように、低負荷・低回転速度の作動状態において、圧縮自己着火式燃焼モードHCCIが実現可能である。
尚、本実施形態におけるECU20は、火花点火式燃焼モードでは、図8に示す吸気バルブおよび排気バルブの作動プロフィールを実施するように吸気バルブ5aおよび排気バルブ5bを制御する。具体的には、火花点火式燃焼モードでは、圧縮自己着火式燃焼モードに比べて、吸気バルブ5aおよび排気バルブ5b共にリフト量と開閉期間を大きく設定し、スロットルによりシリンダ7に流入する空気量を調整することで、エンジントルクを制御する。また、圧縮自己着火式燃焼モードでは図9に示す吸気および排気バルブ動作プロフィールを実現するように制御する。圧縮自己着火式燃焼モードでは、負のオーバーラップ期間を調整することで、内部EGR量を調整する。ここ負のオーバーラップとは、可変バルブ5(吸気バルブ5a及び排気バルブ5b)が閉じた状態のことをいい、このような状態に可変バルブ5を制御することにより、燃焼後に内部EGRをシリンダ7内に残留させることができる。
図6において、例えば、燃焼モード切替判定部21は、図7に示すようなエンジントルクとエンジン回転速度に基づくエンジン100の作動状態を示すマップを備えている。燃焼モード切替判定部21は、要求エンジントルクTe*とエンジン回転速度Neに応じて、図7の作動状態マップに基づき、火花点火式燃焼モードを実行中に、圧縮自己着火式燃焼を実行可能と判断した場合には、燃焼モード切替フラグFexをON(=1)にセットする。これに対し、圧縮自己着火式燃焼モードが実施不可能である作動状態では、燃焼モード切替フラグFexをOFF(=0)にセットする。燃焼モード切替フラグFexは、燃焼モード切替部24に出力される。
火花点火式燃焼用操作量演算部22は、エンジン100に要求される要求エンジントルクTe*と、エンジン回転速度Neとに基づいて、火花点火式燃焼に必要なエンジンパラメータの操作量を算出する。エンジンパラメータとしては、インジェクタから噴射される燃料噴射量、インジェクタから燃料噴射を開始する燃料噴射時期、点火プラグから点火火花の放出を開始する点火時期、燃焼室内に流入する空気量を調整可能なスロットル開度、燃焼室に流入する混合気を調整する吸気バルブの開時期と作動機関または排気弁の開閉時期などがある。
圧縮自己着火式燃焼用操作量演算部23は、エンジン100に要求される要求エンジントルクTe*と、エンジン回転速度Neとに基づいて、圧縮自己着火式燃焼に必要なエンジンパラメータの操作量を算出する。
燃焼モード切替部24は、切替用操作量演算部24aと、OR判定部24bと、出力選択部24cと、タイマ部24dと、出力選択部24eより構成される。
切替用操作量演算部24aは、要求エンジントルクTe*と、エンジン回転速度Neとに基づいて、切替途中にて経由する、火花点火式燃焼モードで内部EGR量を増量した状態を実現するためのエンジンパラメータを演算する。
OR判定部24bは、燃焼モード切替フラグFexと、タイマ部24dの出力であるフラグFex2に基づき、2つのフラグに対する論理回路のOR処理結果をフラグFex3にセットし、出力する。より具体的には、FexがON(=1)かつFex2がON(=1)の場合と、FexがON(=1)かつFex2がOFF(=0)の場合と、FexがOFF(=0)かつFex2がON(=1)の場合に、Fex3にON(=1)をセットし、FexがOFF(=0)かつFex2がOFF(=0)の場合に、Fex3にOFF(=0)をセットする。
出力選択部24cは、OR判定部24bの出力であるフラグFex3がOFF(=0)の場合には、火花点火式燃焼モードを実施すべく、火花点火式燃焼用操作量演算部22の出力(エンジンパラメータ)を選択する。フラグFex3がON(=1)の場合には、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの燃焼モードの切替が実施されていると判断し、切替用操作量演算部24aの出力(演算したエンジンパラメータ)を選択する。
タイマ部24dは、燃焼モード切替フラグFexが変化した時刻より所定期間だけFexの変化を遅らせてFex2にセットする。より具体的には、燃焼モード切替フラグFexがOFF(=0)からON(=1)へと切替わった時刻より、要求エンジントルクTe*やエンジン回転速度Neに基づいて決定される所定期間Th後に、Fex2をOFF(=0)からON(=1)へと変化させる。また、燃焼モード切替フラグFexがON(=1)からOFF(=1)へと変化した場合も同様に、所定期間Th後にFex2をON(=1)からOFF(=0)へと変化させる。この所定期間Thは、予め実験やシミュレーションにて決定したものであってもよいし、各種センサの出力結果に応じて変更するものであってもよい。より具体的には、シリンダ内の圧力を検出する筒内圧力センサの出力結果に基づき、燃焼モード切替フラグFexが変化した時刻から、火花点火式燃焼モードにおいて内部EGR量が所定範囲内となった時刻までを所定期間Thとしてもよい。
後述する説明では、所定時間Thは予め決定された期間であるものとする。
出力選択部24eは、タイマ部24dの出力であるフラグFex2がOFF(=0)の場合には、燃焼モードの切替途中と判断し、切替用操作量演算部24aの出力を選択し、フラグFex2がON(=1)の場合には、圧縮自己着火式燃焼モードを実施すべく、圧縮自己着火式燃焼用操作量演算部23の出力(演算したエンジンパラメータの各値)を選択し、目標操作量OPtgtにセットする。
その結果、図1のエンジン100は、要求エンジントルクTe*が出力されるように、圧縮自己着火式燃焼モード若しくは火花点火式燃焼モードのいずれかの燃焼モードで運転される。
ここで、目標操作量OPtgtとは、エンジン100を燃焼制御する際に操作する、スロットル2の開度(スロットル開度)、インジェクタ3への燃料噴射パルス幅や燃料噴射時期、点火プラグ4への点火時期、吸気バルブ5aの開時期および作動期間、および排気バルブ5bの開閉時期である。これらの目標操作量OPtgtは、図2に示した、それぞれ対応する電子スロットル駆動回路20f、インジェクタ駆動回路20g、点火出力回路20h、可変バルブ駆動回路20jに出力され、これらの回路を介して、目標操作量OPtgに応じて、電子制御スロットル2、インジェクタ3、点火プラグ4、可変バルブ5が制御され、これによりエンジン100の燃焼制御がされる。
次に、図10を用いて、本実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による燃焼モードに切替について説明する。
図10は、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による燃焼モード切替の説明図である。
図10において、横軸は空燃比A/Fを示している。空燃比A/F=14.7よりも右側が、リーンLeanであり、左側がリッチRichである。また、縦軸は内部EGR率RI−EGRを示している。縦軸の上側が内部EGR率が高く、下側が低いものである。
内部EGR導入による圧縮自己着火式燃焼を実現する自然吸気エンジンにおける、筒内の空燃比A/Fと内部EGR率RI−EGRに関して注目した場合の、火花点火式燃焼領域と圧縮自己着火式燃焼領域を示す。ただし、領域全体において、エンジントルクおよびエンジン回転速度はほぼ一定であるものとする。また、火花点火式燃焼領域(SI)での燃料噴射時期は吸気行程とし、圧縮自己着火式燃焼領域(HCCI)での燃料噴射時期は、負のオーバーラップ期間中または吸気行程中、またはその双方である場合のものである。
図10において、火花点火式燃焼領域SIは、空燃比A/Fが比較的リッチ側であり、内部EGR率RI−EGRが比較的低い領域において安定して実施可能である。これに対して、圧縮自己着火式燃焼領域HCCIは、空燃比A/Fが比較的リーンであり、内部EGR率RI−EGRが比較的高い領域において、安定して実施可能である。それぞれの燃焼領域の間には双方の燃焼も安定して実施困難となる燃焼不安定領域CISが存在する。
本実施形態での火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの切替時には、例えば、点Aのように、空燃比A/Fが14.7付近で、内部EGR率RI−EGRが低い状態の火花点火式燃焼領域SIで、エンジンが燃焼している状態で、空燃比はほぼ一定とし、内部EGR率RI−EGRを高めて、点Bの状態で、エンジンを燃焼させる。その後、内部EGR率RI−EGRを増量し、空燃比をリーンとすることで、点Cの状態にて圧縮自己着火式燃焼領域HCCIを実施するように、燃焼モードを切替える。
また、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替時には、上記と逆の経路である、点Cの状態から点Bの状態を経由して、点Aの状態へと燃焼状態を切替える。
燃焼モードの切替において、シリンダ内状態を図10に示すような経路を遷移することで、燃焼不安定領域CISを通過する期間を短くすることが可能であるため、切替時のトルク変動を抑制できることを確認している。
次に、図11を用いて、本実施形態における、燃焼モードに対応した吸気バルブおよび排気バルブのプロフィールの切替に関して説明する。図11は、図10におけるそれぞれの作動状態でのバルブ動作プロフィールを示す。
細実線は点Aである火花点火式燃焼時の設定値を示し、破線は点Bである、内部EGR率を増大した火花点火燃焼時の設定を示し、太実線は点Cである圧縮自己着火式燃焼時の設定を示す。なお、図11内の矢印は、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの切替時のバルブ動作プロフィールの変化方向を示す。
ここで、前記火花点火式燃焼モードは、予め設定された吸気バルブ5a及び排気バルブ5bの設定開時期(設定開弁時期)、設定閉時期(設定閉弁時期)、及び設定リフト量となるように吸気バルブ5a及び排気バルブ5bを駆動して燃焼制御するものであり、圧縮自己着火式燃焼モードは、予め設定された吸気バルブ5a、排気バルブ5bの設定開時期(設定開弁時期)、設定閉時期(設定閉弁時期)、及び設定リフト量となるように吸気バルブ5a及び排気バルブ5bを駆動して燃焼制御するものである。
本実施形態の制御装置を適用することにより、火花点火式燃焼状態(図10の点A)から、火花点火式燃焼にて内部EGR率を増大させた状態(図10の点B)へ切替える際には、上述した目標操作量OPtgtのうち、吸気バルブ5aの開時期および作動期間、および排気バルブ5bの開閉時期に関する制御信号により、可変バルブ駆動回路20jを介して、図11に示す、実線から破線のバルブ動作プロフィールとなるように、制御装置(ECU)が、吸気バルブ5a及び排気バルブ5bを制御する。
具体的には、制御装置は、排気バルブ5bの多段式バルブ可変機構5B’(例えば、VVL)を作動させ、所定のタイミングにて急速に(燃焼サイクルの1サイクル内で)、排気バルブ5bのリフト量を火花点火式燃焼時の設定値である設定リフト量(リフト量)EL1より減少させ、圧縮自己着火式燃焼の設定値である設定リフト量(リフト量)EL2と同等とし、排気バルブ5bの開時期を火花点火式燃焼の設定値である設定開時期(開時期)EO1と圧縮自己着火式燃焼の設定値である設定開時期(開時期)EO2よりも遅延化し(遅角させ)、排気バルブ5bの閉時期を火花点火式燃焼の設定値である設定閉時期(閉時期)EC1よりも早期化し(進角させ)、圧縮自己着火式燃焼の設定値である設定閉時期(閉時期)EC2よりも遅延化する(遅角させる)ように、排気バルブ5bを制御する。これにより、火花点火式燃焼モードでのシリンダ内に残留する排ガス量を迅速に増量することができる。
一方、この排気バルブ5bの変化に伴い、可変バルブ駆動回路20jは、吸気バルブ5aの可変バルブタイミング機構5A(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構5A’(例えば、VEL)を作動させ、連続的に、吸気バルブ5aのリフト量を火花点火式燃焼の設定値である設定リフト量(リフト量)IL1と圧縮自己着火式燃焼の設定値である設定リフト量(リフト量)IL2の中間となり、吸気バルブ5aの開時期を火花点火式燃焼の設定値である設定開時期(開時期)IO1と圧縮自己着火式燃焼の設定値である設定開時期(開時期)IO2の中間となり、吸気バルブ5aの閉時期を火花点火式燃焼の設定値である設定閉時期(閉時期)IC1と圧縮自己着火式燃焼の設定値である設定閉時期(閉時期)IC2とほぼ同等となるように、吸気バルブ5aを制御する。
尚、以下に示すバルブ開閉時期の「早期化」は、開閉時期の「進角」と同等の技術的意味であり、バルブ開閉時期の「遅延化」は、開閉時期の「遅角」と同等の技術的意味である。
このようにして、図10に示すように、点Aの状態である空燃比A/Fが14.7付近で、内部EGR率RI−EGRが低い状態の火花点火式燃焼領域SIにおける燃焼状態から、点Bの状態である空燃比はほぼ一定とし、内部EGR率RI−EGRを高めた燃焼状態に移行することができる。
次に、火花点火式燃焼にて内部EGR率を増大させた状態(図10の点B)から圧縮自己着火式燃焼状態(図10の点C)へと切替える。この際には、制御装置20は、排気バルブ5bの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)によって、排気バルブ5bの開時期と閉時期の関係(開閉期間)を相対的に一定に保持しかつリフト量を保持しながら、開時期を開時期EO2へと連続的に早期化し、閉時期を閉時期EC2へと連続的に早期化することで、内部EGR率RI−RGRを増大させ、圧縮自己着火式燃焼を実施する。
一方、吸気バルブ5aは、可変バルブタイミング機構5A(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構5A’(例えば、VEL)により、上記点Aから点Bへの変化と同様に、連続的に開時期とリフト量を変化させることで、リフト量をリフト量IL2へと連続的に変更し、開時期を開時期IO2へと連続的に変更し、閉時期を閉時期IC1または閉時期IC2と同等とすることで、上述した内部EGR率RI−EGRに伴った空燃比の変化を実現し、圧縮自己着火式燃焼を実施する。
次に、図12から図20を用いて、本実施形態における圧縮自己着火式内燃機関の制御装置により、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式モードへの燃焼モード切替時の制御内容について説明する。
図12、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容全体を示すフローチャートである。図13は、図12のS100(燃焼モード判定処理)の詳細を示すフローチャートである。図14は、図12のS110(燃焼モード切替処理)の詳細を示すフローチャートである。図15は、図14のS113(火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの切替処理)を示すフローチャートである。図16は、図14のS115(圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替処理)を示すフローチャートである。図17は、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容の中でも、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの切替制御を示すタイミングチャートである。図18は、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置により、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの切替制御を実施した際のエンジンの運転状態を示すタイミングチャートである。図19は、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容の中でも、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替制御を示すタイミングチャートである。図20は、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置により、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替制御を実施した際のエンジンの運転状態を示すタイミングチャートである。
最初に、図12を用いて、圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容の全体について説明する。
図12のステップS100において、図6の燃焼モード切替判定部21は、現在の運転状態に対して、火花点火式燃焼または圧縮自己着火式燃焼のどちらが適当であるかを判定し、火花点火式燃焼モードの場合には燃焼モード切替フラグFex(t)にOFF(=0)をセットし、圧縮自己着火式燃焼モードの場合には、ON(=1)をセットする。ここで、変数tは時間を示す。なお、ステップS100の詳細については、図14を用いて後述する。
次に、ステップS110において、図6の燃焼モード切替部24は、ステップS100の結果である燃焼モード切替フラグFex(t)に応じた燃焼モードを実施すべく、選択された燃焼モードに適した操作量をセットする。これにより、エンジン100は、切替えた燃焼モードに応じた燃焼制御を行うことができる。なお、ステップS110の詳細については、図15を用いて後述する。
次に、図13を用いて、図12のS100(燃焼モード切替判定処理)の詳細制御内容について説明する。
ステップS102において、図6の燃焼モード切替判定部21は、要求トルクとエンジン回転速度で決定される運転状態に応じた図7に示すマップに基づいて、圧縮自己着火式燃焼が可能か否かを判定する。圧縮自己着火式燃焼を実施可能な運転状態である場合には、ステップS104に進み、火花点火式燃焼を実施するべき運転状態である場合には、ステップS106に進む。
ステップS104において、燃焼モード切替判定部21は、圧縮自己着火式燃焼を実施すべく、燃焼モード切替フラグFex(t)にON(=1)をセットして一連の作動を終了する。
また、ステップS106では、燃焼モード切替判定部21は、火花点火式燃焼を実施すべく、燃焼モード切替フラグFex(t)にOFF(=0)をセットして一連の作動を終了する。
次に、図14を用いて、図13のS110(燃焼モード切替処理)の詳細制御内容について説明する。
ステップS111において、図6の燃焼モード切替部24は、ステップS100でセットされた燃焼モード切替フラグFex(t)がON(=1)であるか否かを判断する。燃焼モード切替フラグFex(t)=1である場合は、燃焼モードを火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへと切替を実行するために、ステップS113へと進む。また、燃焼モード切替フラグFex(t)=0である場合には、燃焼モードを圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへと切替を実行するために、ステップS115へと進む。
次に、図15を用いて、図14のS113(火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの切替処理)の詳細制御内容について説明する。
ステップS1131において、ステップS100でセットされた燃焼モード切替フラグFex(t)がON(=1)である場合には、ステップS1132に進む。燃焼モード切替フラグFex(t)がOFF(=0)である場合には、ステップ1140に進む。
ステップS1132では、時刻tのΔt時間前(時刻t−Δt)の燃焼モード切替フラグFex(t−Δt)がON(=1)であった場合には、Fex(t)=1の状態が継続すると判断し、ステップS1134に進む。燃焼モード切替フラグFex(t−Δt)がOFF(=0)であった場合には、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへと燃焼モードを切替開始と判断し、ステップS1133に進む。
ステップS1133では切替開始時刻t1に現在の時刻tをセットし、ステップS1134に進む。
ステップS1134では切替開始からの時刻t−t1が所定期間Thよりも大きいか否かを判断し、小さい場合にはステップS1135へ進む。大きい場合には、ステップS1138へと進む。
ステップS1138では、フラグFex2にON(=1)をセットし、ステップS1139に進む。
ステップS1139では、フラグFex2がON(=1)であることから、圧縮自己着火式燃焼モードを実行すべく、出力選択部24eにて、目標操作量POtgtに圧縮自己着火式燃焼用操作量をセットし、一連の動作を終了する。
ステップS1135では、フラグFex2にOFF(=0)をセットし、ステップS1136に進む。
ステップS1136では、FexがON(=1)かつFex2がOFF(=0)であることから、OR判定部24bにおいて、Fex3にON(=1)がセットされ、ステップS1137に進む。
ステップS1137では、火花点火式燃焼モードから切替途中の状態である(図10の点B)、火花点火燃焼にて内部EGR率RI−EGRを増量すべく、目標操作量OPtgtに、切替用操作量をセットして、一連の動作を終了する。
ステップS1140では、火花点火式燃焼を実施すべく、目標捜査量OPtgtに火花点火式燃焼用操作量をセットして、一連の動作を終了する。
次に、図16を用いて、図14のS115(圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替処理)の詳細制御内容について説明する。
ステップS1151において、ステップS100でセットされた燃焼モード切替フラグFex(t)がON(=0)である場合には、ステップS1152に進む。燃焼モード切替フラグFex(t)がOFF(=1)である場合には、ステップ1161に進む。
ステップS1152では、時刻tのΔt時間前(時刻t−Δt)の燃焼モード切替フラグFex(t−Δt)がON(=0)であった場合には、Fex(t)=0の状態が継続すると判断し、ステップS1154に進む。燃焼モード切替フラグFex(t−Δt)がOFF(=1)であった場合には、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへと燃焼モードを切替開始と判断し、ステップS1153に進む。
ステップS1153では切替開始時刻t1に現在の時刻tをセットし、ステップS1154に進む。
ステップS1154では切替開始からの時刻t−t1が所定時間Thよりも大きいか否かを判断し、大きい場合にはステップS1158へ進む。小さい場合には、ステップS1155へと進む。
ステップS1158では、火花点火式燃焼を実施する必要があると判断し、フラグFex2にOFF(=0)をセットしてステップS1159に進む。
ステップS1159では、燃焼モード切替フラグFexがOFF(=0)であり、フラグFex2がOFF(=0)であることから、OR判定部24bにおいて、Fex3にOFF(=0)をセットし、ステップS1160に進む。
ステップS1160では、火花点火式燃焼モードを実行すべく、目標操作量POtgtに火花点火式燃焼用操作量をセットし、一連の動作を終了する。
ステップS1155では、圧縮自己着火式燃焼から火花点火式燃焼への切替が必要であると判断し、タイマ部24dにおいて、フラグFex2にON(=1)をセットする。
ステップ1156では、燃焼モード切替フラグFexがOFF(=0)であり、フラグFex2がON(=1)であることから、OR判定部24bにおいて、フラグFex3にON(=1)がセットされる。
ステップS1157では、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへと燃焼モードを切替えるべく、目標操作量OPtgtに、切替用操作量をセットして、一連の動作を終了する。
ステップS1161では、圧縮自己着火式燃焼モードを継続すべく、目標操作量OPtgtに圧縮自己着火式燃焼用操作量をセットして、一連の動作を終了する。
次に、図17を用いて、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの切替制御の具体的な内容について説明する。
図17において、横軸は時間を示している。図17(A)の縦軸は、燃焼モード切替フラグFexのON(=1)、OFF(=0)を示している。図17(B)の縦軸は、燃焼モード切替フラグFexにタイマ部24dの出力であるフラグFex2のON(=1)、OFF(=0)を示している。図17(C)のOR判定部24bの出力であるFex3のON(=1)、OFF(=0)を示している。図17(D)はスロットル開度θTHを示している。図の上方に向かって、スロットル開度θTHは増大する。図17(E)は、排気バルブ開時期EVOを示している。図の上方に向かって、排気バルブ開時期EVOは早期化する。図17(F)は、排気バルブ閉時期EVCを示している。図の上方に向かって、排気バルブ閉時期EVCは早期化する。図17(G)は、吸気バルブ開時期IVOを示している。図の上方に向かって、吸気バルブ開時期は早期化する。図17(H)は、吸気バルブ閉時期IVCを示している。図の上方に向かって、吸気バルブ閉時期IVCは早期化する。図17(I)は、図10に示すシリンダ内状態Stateの様子を示す。
図17において、実線はECU20によって各アクチュエータに指令される目標値を示しており、破線は、各アクチュエータの実際の動作状態を示す。
図17の横軸において、時刻t1は、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへと切替を開始した時刻を示している。時間Thは、Fexが変化してから、タイマ部24dの出力するフラグFex2が変化するまでの時間を示している。
時刻t1以前では、エンジンは、エンジンパラメータが火花点火式燃焼モード用に設定されており、図10の点Aの状態で燃焼している。その後、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへと燃焼モードの切替が可能と判断され、所定時間Thの期間中、図10の点Bの内部EGR率RI−EGRが高い燃焼モードへとエンジンパラメータを変更する。その後、所定時刻t2=t1+Th以後は、図10の点Cの圧縮自己着火式燃焼モードを実施すべく、エンジンパラメータを変更する。
所定時間Thは、エンジン回転速度Neに応じて可変する。例えば、エンジン回転速度が低い場合には、可変バルブの応答時間にあわせ、長い時間としたり、エンジン回転速度が高い場合には、短い時間に設定する。ただし、これだけに限るものではなく、操作量を操作した際のシリンダ内ガスの挙動の応答時間に応じて決定するのもであってもよいし、可変バルブを構成する作動装置の応答時間に応じて決定するものであってもよい。
時刻t1において、図17(A)に示すように、燃焼モード切替判定部21が圧縮自己着火式燃焼を実施可能と判断すると、燃焼モード切替フラグFexにON(=1)をセットし、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへと燃焼モードの切替を開始する。図17(B)に示すように、燃焼モード切替部24のタイマ部24dにより、Fexの変化から所定時間Th後にFex2がON(=1)へとセットされる。また、図17(C)に示すように、OR判定部24bではFexとFex2の変化に基づき、時刻t1から時間Th後までフラグFex3をON(=1)にセットし、それ以降もON(=1)を保持する。
図17(D)に示すように、時刻t1から時刻t2(=t1+Th)では、図10の点Bに示す、火花点火式燃焼にて内部EGR率RI−EGRが増大した状態を実施するために、内部EGR量の増量によってシリンダ内の空気量が減少するのを抑制すべく、スロットル開度θTHを大きくする。また、時刻t2(=t1+Th)以降では、図10の点Cの状態のように、燃焼形態を圧縮自己着火式燃焼モードへと切替え、空燃比をリーンとするために、スロットル開度θTHは大きく開いた状態へと変更する。
図17(E)に示すように、排気バルブ開時期EVOは、時刻t1では図10の点Bを実施するべく、遅延化される。この際、排気バルブ5bの多段式バルブ可変機構5B’(例えば、VVL)により変更されるため、排気バルブ開時期EVOは時刻t1より急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)変化する。また、時刻t2(=t1+Th)以降では、図10の点Cを実施すべく、早期化される。この際、排気バルブ5bの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)5Bにより変更されるため、時刻t1直後の変化よりも時刻t2(=t1+Th)直後の変化の方が時間を要する。
図17(F)に示すように、排気バルブ閉時期EVCは、時刻t1では図10の点Bを実施するべく、早期化される。この際、排気バルブ5bの多段式バルブ可変機構5B’(例えば、VVL)により変更されるため、排気バルブ閉時期EVCは時刻t1より急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)変化する。また、時刻t2(=t1+Th)以降では、図10の点Cを実施すべく、さらに早期化される。この際、排気バルブの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)により変更されるため、時刻t1直後の変化よりも時刻t2(=t1+Th)直後の変化の方が時間を要する。
図17(G)に示すように、吸気バルブ開時期IVOは、時刻t1では図10の点Bを実施するべく、遅延化され、時刻t2(=t1+Th)では、図10の点Cを実施すべく、更に遅延化される。
図17(H)に示すように、吸気バルブ閉時期IVCは、切替期間を通して、一定を保持する。
ここで、火花点火式燃焼用操作量、圧縮自己着火式燃焼用操作量、切替用操作量、所定時間Thは、予め試験またはシミュレーションにて決定した設定値であり、エンジン100の運転条件に応じて異なるものである。なお、シリンダ7内の燃焼モードを検出するセンサ(例、筒内圧力センサ、ノックセンサ、空燃比センサなど)の出力結果に基づいて決定してもよいものである。
次に、図18を用いて、本実施形態により、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの燃焼モード切替制御を実施した際のエンジンの運転状態について説明する。
図18の横軸は、時間を示している。図18(A)の縦軸は、内部EGR量Qegrを示している。上方に向かって内部EGR量Qegrは増量する。図18(B)の縦軸は、吸入空気量Qairを示している。図上方に向かって、吸入空気量Qairは増量する。図18(C)の縦軸は、空燃比A/Fを示している。図上方に向かって、空燃比A/Fは希薄化する。図18(D)の縦軸は、エンジントルクTeを示している。図上方に向かって、エンジントルクTeは増大する。図18(E)の縦軸は、エンジン回転速度Neを示している。図上方に向かって、エンジン回転速度Neは増大する。図18(F)の縦軸は、図10に示す燃焼状態を示している。
時刻t1にて、燃焼モードを火花点火式燃焼モード(図10の点A)から内部EGR率RI−EGRを増大した状態(図10の点B)へとエンジンパラメータを変更したため、それに従って、内部EGR量Qegrが増量する。また、内部EGR量Qegrの増量に伴う空気量の変化は、スロットルθTHの補正を実施するため、空気量Qairはほぼ一定に保持される。また、時刻t2(=t1+Th)では、燃焼モードを圧縮自己着火式燃焼モード(図10の点C)へと切替えるべく、エンジンパラメータを変更したため、内部EGR量Qegrがさらに増量し、空気量Qairが増量、これに伴い、空燃比がリーン化する。
本実施形態の切替制御を適用することにより、排気バルブ5bの構成が可変バルブタイミング機構5B(例えば、VTC)と多段式バルブ可変機構5B’(例えば、VVL)により構成されている場合であっても、シリンダ内状態が図10に示す経路を遷移するため、火花点火式燃焼から圧縮自己着火式燃焼への切替時に、エンジントルクおよびエンジン回転速度の変動を抑制することが可能である。
次に、図19を用いて、本発明の第1の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替制御の具体的な内容について説明する。
図19において、横軸は時間を示している。図19(A)の縦軸は、燃焼モード切替フラグFexのON(=1)、OFF(=0)を示している。図19(B)の縦軸は、燃焼モード切替フラグFexにタイマ部24dの出力であるフラグFex2のON(=1)、OFF(=0)を示している。図19(C)のOR判定部24bの出力であるFex3のON(=1)、OFF(=0)を示している。図19(D)はスロットル開度θTHを示している。図の上方に向かって、スロットル開度θTHは増大する。図19(E)は、排気バルブ開時期EVOを示している。図の上方に向かって、排気バルブ開時期EVOは早期化する。図19(F)は、排気バルブ閉時期EVCを示している。図の上方に向かって、排気バルブ閉時期EVCは早期化する。図19(G)は、吸気バルブ開時期IVOを示している。図の上方に向かって、吸気バルブ開時期は早期化する。図19(H)は、吸気バルブ閉時期IVCを示している。図の上方に向かって、吸気バルブ閉時期IVCは早期化する。図19(I)は、図10に示すシリンダ内状態Stateの様子を示す。
図19において、実線はECU20によって各アクチュエータに指令される目標値を示しており、破線は、各アクチュエータの実際の動作状態を示す。
図19の横軸において、時刻t1は、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへと切替を開始した時刻を示している。時間Thは、Fexが変化してから、タイマ部24dの出力するフラグFex2が変化するまでの時間を示している。
時刻t1以前では、エンジンは、エンジンパラメータが圧縮自己着火式燃焼モード用に設定されており、図10の点Cの状態で燃焼している。その後、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへと燃焼モードの切替が可能と判断され、所定時間Thの期間中、図10の点Bの内部EGR率RI−EGRが高い火花点火式燃焼モードへとエンジンパラメータを変更する。その後、所定時刻t2=t1+Th以後は、図10の点Aの圧縮自己着火式燃焼モードを実施すべく、エンジンパラメータを変更する。
所定時間Thは、エンジン回転速度Neに応じて可変する。例えば、エンジン回転速度が低い場合には、可変バルブの応答時間にあわせ、長い時間としたり、エンジン回転速度が高い場合には、短い時間に設定する。ただし、これだけに限るものではなく、操作量を操作した際のシリンダ内ガスの挙動の応答時間に応じて決定するのもであってもよいし、可変バルブを構成する作動装置の応答時間に応じて決定するものであってもよい。
時刻t1において、図19(A)に示すように、燃焼モード切替判定部21が火花点火式燃焼を実施可能と判断すると、燃焼モード切替フラグFexにON(=0)をセットし、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへと燃焼モードの切替を開始する。図19(B)に示すように、燃焼モード切替部24のタイマ部24dにより、Fexの変化から所定時間Th後にFex2がON(=0)へとセットされる。また、図19(C)に示すように、OR判定部24bではFexとFex2の変化に基づき、時刻t1から時間Th後までフラグFex3をON(=1)にセットした後、時刻t2(=t1+Th)以降はON(=0)にセットし、その状態を保持する。
図19(D)に示すように、時刻t1から時刻t2(=t1+Th)では、図10の点Bに示す、火花点火式燃焼にて内部EGR率RI−EGRが増大した状態を実施するために、内部EGR量を減量したことによってシリンダ内の空気量が増量するのを抑制し、空燃比をストイキとするべく、スロットル開度θTHを小さくする。また、時刻t2(=t1+Th)以降では、図10の点Aの状態のように、空燃比をストイキとしながら燃焼形態を火花点火式燃焼モードへと切替えるために、スロットル開度θTHはさらに小さくする。
図19(E)に示すように、排気バルブ開時期EVOは、時刻t1では図10の点Bを実施するべく、遅延化される。この際、排気バルブの可変バルブタイミング機構5B(例えば、VTC)により変更される。また、時刻t2(=t1+Th)以降では、図10の点Aを実施すべく、早期化される。この際、排気バルブの多段式バルブ可変機構5B’(例えば、VVL)により変更されるため、時刻t1直後の変化よりも時刻t2(=t1+Th)直後は急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)変化する。
図19(F)に示すように、排気バルブ閉時期EVCは、時刻t1では図10の点Bを実施するべく、遅延化される。この際、排気バルブの可変バルブタイミング機構5B(例えば、VTC)により変更される。また、時刻t2(=t1+Th)以降では、図10の点Aを実施すべく、さらに早期化される。この際、排気バルブの多段式バルブ可変機構5B’(例えば、VVL)により変更されるため、時刻t1直後の変化よりも時刻t2(=t1+Th)直後の変化の方が時間を要する。
図19(G)に示すように、吸気バルブ開時期IVOは、時刻t1では図10の点Bを実施するべく、早期化し、時刻t2(=t1+Th)では、図10の点Aを実施すべく、さらに早期化する。
図19(H)に示すように、吸気バルブ閉時期IVCは、切替期間を通して、一定を保持する。
ここで、火花点火式燃焼用操作量、圧縮自己着火式燃焼用操作量、切替用操作量、所定時間Thは、予め試験またはシミュレーションにて決定した設定値であり、エンジン100の運転条件に応じて異なるものである。なお、シリンダ7内の燃焼モードを検出するセンサ(例、筒内圧力センサ、ノックセンサ、空燃比センサなど)の出力結果に基づいて決定してもよいものである。
次に、図20を用いて、本実施形態により、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの燃焼モード切替制御を実施した際のエンジンの運転状態について説明する。
図20の横軸は、時間を示している。図18(A)の縦軸は、内部EGR量Qegrを示している。上方に向かって内部EGR量Qegrは増量する。図20(B)の縦軸は、吸入空気量Qairを示している。図上方に向かって、吸入空気量Qairは増量する。図20(C)の縦軸は、空燃比A/Fを示している。図上方に向かって、空燃比A/Fは希薄化する。図20(D)の縦軸は、エンジントルクTeを示している。図上方に向かって、エンジントルクTeは増大する。図20(E)の縦軸は、エンジン回転速度Neを示している。図上方に向かって、エンジン回転速度Neは増大する。図20(F)の縦軸は、図10に示す燃焼状態を示している。
時刻t1にて、燃焼モードを圧縮自己着火式燃焼モード(図10の点C)から内部EGR率RI−EGRを増大した火花点火式燃焼モード(図10の点B)へとエンジンパラメータを変更したため、また、空燃比をストイキとするべく、空気量Qairが減量される。さらに、時刻t2(=t1+Th)では、燃焼モードを火花点火式燃焼モード(図10の点A)へと切替えるべく、エンジンパラメータを変更したため、内部EGR量Qegrがさらに減量する。このとき、空燃比をストイキに保持すべく、スロットルθTHが制御されるため、空気量Qairはほぼ一定に保持される。
本実施形態の切替制御を適用することにより、排気バルブ5bの構成が可変バルブタイミング機構5B(例えば、VTC)と多段式バルブ可変機構5B’(例えば、VVL)により構成されている場合であっても、シリンダ内状態が図10に示す経路を遷移するため、圧縮自己着火式燃焼から火花点火式燃焼への切替時に、エンジントルクおよびエンジン回転速度の変動を抑制することが可能である。
〔第2の実施形態〕
上記の本発明の第1の実施形態は、排気バルブ5bが、可変バルブタイミング機構5B(例えば、VTC)と多段式バルブ可変機構5B’(例えば、VVL)により構成された可変動弁機構により駆動し、吸気バルブ5aが、可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(例えば、VEL)により構成された可変動弁機構により駆動する圧縮自己着火式内燃機関の制御装置に関するものであり、吸気バルブ5aおよび排気バルブ5bのプロフィールを、図11に示すように切替えることで、燃焼モードを切替えるものであった。
本発明の第2の実施形態は、排気バルブ5bの構成は第1の実施形態と同様であるが、吸気バルブ5aの構成が、排気バルブ5bと同様に、可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と多段式バルブ可変機構(例えば、VVL)により構成された可変動弁機構により駆動する圧縮自己着火式内燃機関の制御装置に関するものであり、吸気バルブ5aおよび排気バルブ5bのプロフィールを、図21に示すように切替を実施する場合のものである。
図21は、本発明の第2の実施形態である圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による、バルブ動作プロフィールの切替形態を示す。図21において、図内の矢印は、火花点火式燃焼モード(図10の点A)から圧縮自己着火式燃焼モード(図10の点C)への切替時の様子を示す。
火花点火式燃焼モード(図10の点A)では、吸気バルブ5aおよび排気バルブ5bの双方に関して、リフト量を大きくし、開時期と閉時期の期間である開閉期間を大きく設定する。この状態から、火花点火式燃焼にて内部EGR率RI−EGRを増大すべく、多段式バルブ可変機構5B’を作動させて、排気バルブ5bの開時期を所定のタイミングにて急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)開時期EO1と開時期EO2より遅延化し、排気バルブの閉時期を所定のタイミングにて急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)閉時期EC1より早期化し、閉時期EC2よりも遅延化するにように、排気バルブ5bを制御し、さらに、排気バルブ5bのリフト量を所定のタイミングにて急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)リフト量IL2へと減少するように制御する。
同時に、吸気バルブの多段式バルブ可変機構を作動させて、吸気バルブの開時期を所定のタイミングにて急速に開時期IO1よりも遅延化し、開時期IO2よりも早期化し、吸気バルブの閉時期を所定のタイミングにて急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)閉時期IC1と閉時期IC2よりも早期化し、吸気バルブのリフト量を所定のタイミングにて急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)リフト量IL2へと減少する。
その後、内部EGR率RI−EGRをさらに増大し、空燃比をリーン化して、シリンダ内状態を圧縮自己着火式燃焼モード(図10の点C)へと切替えるべく、排気バルブ5bの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)を作動させて、排気バルブの開時期を連続的に早期化して、開時期EO1と開時期EO2とほぼ同等へと早期化し、排気バルブの閉時期を連続的に閉時期EC2へと早期化するように排気バルブ5bを制御する。
同時に、吸気バルブ5aの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)を作動させて、吸気バルブの開時期と閉時期の相対的な期間を一定に保持しながら、吸気バルブの開時期を連続的に開時期IO2へと遅延化し、閉時期を連続的に閉時期IC2とほぼ同等へと遅延化するように、吸気バルブ5aを制御する。
図21には明記しないが、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替の際には、上述と逆の手順にて切替を実施する。
次に、本発明の第2の実施形態における圧縮自己着火式内燃機関の制御装置により、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式モードへの燃焼モード切替時の制御内容について説明する。
本実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容に関するフローチャートは図12から図16に示したものと同様である。
図22は、本発明の第2の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容の中でも、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの切替制御を示すタイミングチャートであり、切替制御の具体的な内容を示したものである。
図22において、横軸は時間を示している。図22(A)の縦軸は、燃焼モード切替フラグFexのON(=1)、OFF(=0)を示している。図22(B)の縦軸は、燃焼モード切替フラグFexにタイマ部24dの出力であるフラグFex2のON(=1)、OFF(=0)を示している。図22(C)のOR判定部24bの出力であるFex3のON(=1)、OFF(=0)を示している。図22(D)はスロットル開度θTHを示している。図の上方に向かって、スロットル開度θTHは増大する。図22(E)は、排気バルブ開時期EVOを示している。図の上方に向かって、排気バルブ開時期EVOは早期化する。図22(F)は、排気バルブ閉時期EVCを示している。図の上方に向かって、排気バルブ閉時期EVCは早期化する。図22(G)は、吸気バルブ開時期IVOを示している。図の上方に向かって、吸気バルブ開時期は早期化する。図22(H)は、吸気バルブ閉時期IVCを示している。図の上方に向かって、吸気バルブ閉時期IVCは早期化する。図22(I)は、図10に示すシリンダ内状態Stateの様子を示す。
図22において、実線はECU20によって各アクチュエータに指令される目標値を示しており、破線は、各アクチュエータの実際の動作状態を示す。
図22の横軸において、時刻t1は、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへと切替を開始した時刻を示している。時間Thは、Fexが変化してから、タイマ部24dの出力するフラグFex2が変化するまでの時間を示している。
時刻t1以前では、エンジンは、エンジンパラメータが火花点火式燃焼モード用に設定されており、図10の点Aの状態で燃焼している。その後、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへと燃焼モードの切替が可能と判断され、所定時間Thの期間中、図10の点Bの内部EGR率RI−EGRが高い燃焼モードへとエンジンパラメータを変更する。その後、所定時刻t2=t1+Th以後は、図10の点Cの圧縮自己着火式燃焼モードを実施すべく、エンジンパラメータを変更する。
所定時間Thは、エンジン回転速度Neに応じて可変する。例えば、エンジン回転速度が低い場合には、可変バルブの応答時間にあわせ、長い時間としたり、エンジン回転速度が高い場合には、短い時間に設定する。ただし、これだけに限るものではなく、操作量を操作した際のシリンダ内ガスの挙動の応答時間に応じて決定するのもであってもよいし、可変バルブを構成する作動装置の応答時間に応じて決定するものであってもよい。
図22(A)から図22(F)は第1の実施形態と同様の動作を実現する。
図22(G)に示すように、吸気バルブ閉時期IVOは、時刻t1では図10の点Bを実施するべく、遅延化される。この際、吸気バルブの多段式バルブ可変機構(例えば、VVL)により変更されるため、吸気バルブ閉時期IVOは時刻t1より急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)変化する。また、時刻t2(=t1+Th)以降では、図10の点Cを実施すべく、さらに遅延化される。この際、吸気バルブの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)により変更されるため、時刻t1直後の変化よりも時刻t2(=t1+Th)直後の変化の方が時間を要する。
図22(G)に示すように、吸気バルブ開時期IVCは、時刻t1では図10の点Bを実施するべく、早期化される。この際、吸気バルブの多段式バルブ可変機構(例えば、VVL)により変更されるため、吸気バルブ開時期IVCは時刻t1より急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)変化する。また、時刻t2(=t1+Th)以降では、図10の点Cを実施すべく、遅延化される。この際、吸気バルブの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)により変更されるため、時刻t1直後の変化よりも時刻t2(=t1+Th)直後の変化の方が時間を要する。
ここで、火花点火式燃焼用操作量、圧縮自己着火式燃焼用操作量、切替用操作量、所定時間Thは、予め試験またはシミュレーションにて決定した設定値であり、エンジン100の運転条件に応じて異なるものである。なお、シリンダ7内の燃焼モードを検出するセンサ(例、筒内圧力センサ、ノックセンサ、空燃比センサなど)の出力結果に基づいて決定してもよいものである。
本実施形による火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの燃焼モード切替制御を実施した際のエンジンの運転状態は、図18に示す第1の実施形態の場合と同様である。
次に、図23を用いて、本発明の第2の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替制御の具体的な内容について説明する。
図23において、横軸は時間を示している。図23(A)の縦軸は、燃焼モード切替フラグFexのON(=1)、OFF(=0)を示している。図23(B)の縦軸は、燃焼モード切替フラグFexにタイマ部24dの出力であるフラグFex2のON(=1)、OFF(=0)を示している。図23(C)のOR判定部24bの出力であるFex3のON(=1)、OFF(=0)を示している。図23(D)はスロットル開度θTHを示している。図の上方に向かって、スロットル開度θTHは増大する。図23(E)は、排気バルブ開時期EVOを示している。図の上方に向かって、排気バルブ開時期EVOは早期化する。図23(F)は、排気バルブ閉時期EVCを示している。図の上方に向かって、排気バルブ閉時期EVCは早期化する。図23(G)は、吸気バルブ開時期IVOを示している。図の上方に向かって、吸気バルブ開時期は早期化する。図23(H)は、吸気バルブ閉時期IVCを示している。図の上方に向かって、吸気バルブ閉時期IVCは早期化する。図23(I)は、図10に示すシリンダ内状態Stateの様子を示す。
図23において、(A)から(F)の動作状態は第1の実施形態の場合である図19と同様である。
図23(F)に示すように、吸気バルブ閉時期IVOは、時刻t1では図10の点Bを実施するべく、早期化される。この際、吸気バルブの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)により変更される。また、時刻t2(=t1+Th)以降では、図10の点Aを実施すべく、さらに早期化される。この際、排気バルブの多段式バルブ可変機構(例えば、VVL)により変更されるため、時刻t1直後の変化よりも時刻t2(=t1+Th)直後の変化の方が時間を要する。
図23(E)に示すように、吸気バルブ開時期IVCは、時刻t1では図10の点Bを実施するべく、早期化される。この際、吸気バルブの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)により変更される。また、時刻t2(=t1+Th)以降では、図10の点Aを実施すべく、早期化される。この際、排気バルブの多段式バルブ可変機構(例えば、VVL)により変更されるため、時刻t1直後の変化よりも時刻t2(=t1+Th)直後は急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)変化する。
本実施形による圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火火式燃焼モードへの燃焼モード切替制御を実施した際のエンジンの運転状態は、図20に示す第1の実施形態の場合と同様である。
本実施形態の切替制御を適用することにより、排気バルブ5bが可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と多段式バルブ可変機構(例えば、VVL)により構成されており、吸気バルブ5aが可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と多段式バルブ可変機構(例えば、VEL)により構成されている場合でも、シリンダ内状態が図10に示す経路を遷移するため、圧縮自己着火式燃焼と火花点火式燃焼との切替時に、エンジントルクおよびエンジン回転速度の変動を抑制することが可能である。
〔第3の実施形態〕
次に、本発明の第3の実施形態における圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による切替制御について説明する。
本発明の第3の実施形態は、排気バルブ5bが可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(例えば、VEL)により構成された可変動弁機構による駆動し、吸気バルブ5aが可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(例えば、VEL)より構成された可変動弁機構により駆動する圧縮自己着火式内燃機関の制御装置に関するものである。
図24に、各燃焼モードにおける、吸気バルブ5aおよび排気バルブ5bのプロフィールの切替形態を示す。図24において、図内の矢印は、火花点火式燃焼モード(図10の点A)から圧縮自己着火式燃焼モード(図10の点C)への切替時の様子を示す。
本実施形態の制御装置を適用することにより、火花点火式燃焼状態(図10の点A)から、火花点火式燃焼にて内部EGR率を増大させた状態(図10の点B)へ切替える際には、排気バルブ5bの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(例えば、VEL)の双方を作動させて、連続的に、排気バルブ5bのリフト量を火花点火式燃焼時の設定値であるリフト量EL1より減少し、圧縮自己着火式燃焼の設定値であるリフト量EL2と同等とし、排気バルブ5bの開時期を火花点火式燃焼の設定値である開時期EO1と圧縮自己着火式燃焼の設定値である開時期EO2よりも遅延化し、排気バルブ5bの閉時期を火花点火式燃焼の設定値である閉時期EC1よりも早期化し、圧縮自己着火式燃焼の設定値である閉時期EC2よりも遅延化するように、排気バルブ5bを制御する。
この排気バルブ5bの変化に伴い、吸気バルブ5aの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(例えば、VEL)を作動させて、連続的に、吸気バルブ5aのリフト量を火花点火式燃焼の設定値であるリフト量IL1と圧縮自己着火式燃焼の設定値であるリフト量IL2の中間とし、吸気バルブ5aの開時期を火花点火式燃焼の設定値である開時期IO1と圧縮自己着火式燃焼の設定値である開時期IO2の中間とし、吸気バルブ5aの閉時期を火花点火式燃焼の設定値である閉時期IC1と圧縮自己着火式燃焼の設定値である閉時期IC2とほぼ同等とするように、吸気バルブ5aを制御する。
火花点火式燃焼にて内部EGR率を増大させた状態(図10の点B)から圧縮自己着火式燃焼状態(図10の点C)へと切替える際には、排気バルブ5bの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)によって、排気バルブ5bの開時期と閉時期の関係を相対的に維持し、リフト量を保持しながら、開時期を開時期EO2へと連続的に早期化し、閉時期を閉時期EC2へと連続的に早期化することで、内部EGR率RI−RGRを増大させ、圧縮自己着火式燃焼を実施する。また、吸気バルブ5aは、可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(例えば、VEL)により、上記点Aから点Bへの変化と同様に、連続的に開時期とリフト量を変化させることで、リフト量をリフト量IL2へと連続的に変更し、開時期を開時期IO2へと連続的に変更し、閉時期を閉時期IC1または閉時期IC2と同等とすることで、内部EGR率RI−EGRに伴った空燃比の変化を実現し、圧縮自己着火式燃焼を実施する。
図24には明記しないが、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替の際には、上述と逆の手順にて切替を実施する。
本実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容に関するフローチャートは図12から図16に示したものと同様である。
図25は、本発明の第3の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容の中でも、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの切替制御を示すタイミングチャートであり、切替制御の具体的な内容を示したものである。
本実施形態による切替制御において、エンジンパラメータの目標設定値は、図17に示す第1の実施形態での動作状態と同様であるが、排気バルブ5bの構成の一部が可変バルブリフト機構(例えば、VEL)に変更されているため、図25(E)の排気バルブの開時期EVOと図25(F)の排気バルブの閉時期EVCの時刻t1直後には、連続的に変化するために、応答が第1の実施形態よりも遅くなる。
本実施形による火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの燃焼モード切替制御を実施した際のエンジンの運転状態は、図18に示す第1の実施形態の場合と同様である。
次に、図26を用いて、本発明の第3の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替制御の具体的な内容について説明する。
図26は、本発明の第3の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容の中でも、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替制御を示すタイミングチャートであり、切替制御の具体的な内容を示したものである。
本実施形態による切替制御において、エンジンパラメータの目標設定値は、図19に示す第1の実施形態での動作状態と同様であるが、排気バルブ5bの構成の一部が可変バルブリフト機構(例えば、VEL)に変更されているため、図26(E)の排気バルブの開時期EVOと図26(F)の排気バルブの閉時期EVCの時刻t2直後には、連続的に変化するために、応答が第1の実施形態よりも遅くなる。
本実施形による圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火火式燃焼モードへの燃焼モード切替制御を実施した際のエンジンの運転状態は、図20に示す第1の実施形態の場合と同様である。
本実施形態の切替制御を適用することにより、排気バルブ5bが可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(例えば、VEL)により構成されており、吸気バルブ5aが可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(例えば、VEL)により構成されている場合でも、シリンダ内状態が図10に示す経路を遷移するため、圧縮自己着火式燃焼と火花点火式燃焼との切替時に、エンジントルクおよびエンジン回転速度の変動を抑制することが可能である。
〔第4の実施形態〕
次に、本発明の第4の実施形態における圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による切替制御について説明する。
本発明の第4の実施形態は、排気バルブ5bが可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(例えば、VEL)により構成された可変動弁機構により駆動し、吸気バルブ5aが可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と多段式バルブ可変機構(例えば、VVL)より構成された可変動弁機構により駆動する圧縮自己着火式内燃機関の制御装置に関するものである。
図27に、各燃焼モードにおける、吸気バルブ5aおよび排気バルブ5bのプロフィールの切替形態を示す。図27において、図内の矢印は、火花点火式燃焼モード(図10の点A)から圧縮自己着火式燃焼モード(図10の点C)への切替時の様子を示す。
本実施形態の制御装置を適用することにより、火花点火式燃焼状態(図10の点A)から、火花点火式燃焼にて内部EGR率を増大させた状態(図10の点B)へ切替える際には、排気バルブ5bの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(例えば、VEL)を作動させ、連続的に、排気バルブ5bのリフト量を火花点火式燃焼時の設定値であるリフト量EL1より減少し、圧縮自己着火式燃焼の設定値であるリフト量EL2と同等とし、排気バルブ5bの開時期を火花点火式燃焼の設定値である開時期EO1と圧縮自己着火式燃焼の設定値である開時期EO2よりも遅延化し、排気バルブ5bの閉時期を火花点火式燃焼の設定値である閉時期EC1よりも早期化し、圧縮自己着火式燃焼の設定値である閉時期EC2よりも遅延化するように、排気バルブ5bを制御する。
一方、この排気バルブ5bの変化に伴い、同時に、吸気バルブ5aは多段式バルブ可変機構(例えば、VVL)により、吸気バルブの開時期を所定のタイミングにて急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)開時期IO1よりも遅延化し、開時期IO2よりも早期化し、吸気バルブの閉時期を所定のタイミングにて急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)閉時期IC1と閉時期IC2よりも早期化し、吸気バルブのリフト量を所定のタイミングにて急速に(燃焼サイクルの1サイクル以内で)リフト量IL2へと減少する。
火花点火式燃焼にて内部EGR率を増大させた状態(図10の点B)から圧縮自己着火式燃焼状態(図10の点C)へと切替える際には、排気バルブ5bの可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)によって、排気バルブ5bの開時期と閉時期の関係を相対的に維持し、リフト量を保持しながら、開時期を開時期EO2へと連続的に早期化し、閉時期を閉時期EC2へと連続的に早期化することで、内部EGR率RI−RGRを増大させ、圧縮自己着火式燃焼を実施する。また、吸気バルブ5aは、可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)により、吸気バルブの開時期と閉時期の相対的な期間を一定に保持しながら、吸気バルブ5aの開時期を連続的に開時期IO2へと遅延化し、閉時期を連続的に閉時期IC2とほぼ同等へと遅延化するように、吸気バルブ5aを制御する。
図27には明記しないが、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替の際には、上述と逆の手順にて切替を実施する。
本実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容に関するフローチャートは図12から図16に示したものと同様である。
図28は、本発明の第4の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容の中でも、火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの切替制御を示すタイミングチャートであり、切替制御の具体的な内容を示したものである。
本実施形態による切替制御において、エンジンパラメータの目標設定値は、図22に示す第1の実施形態での動作状態と同様であるが、排気バルブ5bの構成の一部が可変バルブリフト機構(例えば、VEL)に変更されているため、図28(E)の排気バルブの開時期EVOと図28(F)の排気バルブの閉時期EVCの時刻t1直後には、連続的に変化するために、応答が第1の実施形態よりも遅くなる。
本実施形による火花点火式燃焼モードから圧縮自己着火式燃焼モードへの燃焼モード切替制御を実施した際のエンジンの運転状態は、図18に示す第1の実施形態の場合と同様である。
次に、図29を用いて、本発明の第3の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替制御の具体的な内容について説明する。
図29は、本発明の第4の実施形態による圧縮自己着火式内燃機関の制御装置による制御内容の中でも、圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火式燃焼モードへの切替制御を示すタイミングチャートであり、切替制御の具体的な内容を示したものである。
本実施形態による切替制御において、エンジンパラメータの目標設定値は、図23に示す第1の実施形態での動作状態と同様であるが、排気バルブ5bの構成の一部が可変バルブリフト機構(例えば、VEL)に変更されているため、図29(E)の排気バルブの開時期EVOと図29(F)の排気バルブの閉時期EVCの時刻t2直後には、連続的に変化するために、応答が第1の実施形態よりも遅くなる。
本実施形による圧縮自己着火式燃焼モードから火花点火火式燃焼モードへの燃焼モード切替制御を実施した際のエンジンの運転状態は、図20に示す第1の実施形態の場合と同様である。
本実施形態の切替制御を適用することにより、排気バルブ5bが可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(例えば、VEL)により構成されており、吸気バルブ5aが可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と多段式バルブ可変機構(例えば、VVL)により構成されている場合でも、シリンダ内状態が図10に示す経路を遷移するため、圧縮自己着火式燃焼と火花点火式燃焼との切替時に、エンジントルクおよびエンジン回転速度の変動を抑制することが可能である。
以上、本発明の各実施形態について詳説したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができる。
例えば、吸気バルブ5aおよび排気バルブ5bが可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)と可変バルブリフト機構(VEL)により構成されている場合であっても、火花点火式燃焼の内部EGR率RI−EGRを増大したシリンダ内状態(図10の点B)を実施すべく、図21または図27の破線で示すバルブ動作プロフィールを経由して、燃焼モードの切替を実施してもよい。
また、吸気バルブ5aまたは排気バルブ5bを構成する装置が、可変バルブタイミング機構(例えば、VTC)、または多段式バルブ可変機構(例えば、VVL)、または可変バルブリフト機構(例えば、VEL)に限ったものではなく、バルブの開時期、閉時期、および、リフト量を自在に調整可能な可変動弁機構(例えば、電磁バルブ)などにより構成された場合であっても、上記実施例に記載のバルブ動作プロフィールを実現することで、燃焼モードを切替えるものであってもよい。
本発明を適用することにより、火花点火式燃焼と圧縮自己着火式燃焼とを切替える際に、運転性能の悪化を抑制しながら燃焼モードの切替を実現することが可能である。