JP5093028B2

JP5093028B2 - 火花点火式直噴エンジンの制御方法

Info

Publication number: JP5093028B2
Application number: JP2008247650A
Authority: JP
Inventors: 正尚山川; 真一杉原; 直宏山口; 啓二荒木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: JP2010077909A

Description

本発明は、火花点火式直噴エンジンの制御方法に関するものである。

エンジン、特に自動車用の火花点火式のエンジンでは、効率の向上等の観点から、燃焼室内に直接燃料噴射を行う直噴式とする傾向が強くなっている。また、火花点火式直噴エンジンの燃料としては、ガソリンが一般的であるが、最近では、エタノールをガソリンに混合した混合燃料や、エタノール１００％（エタノール９７％＋水３％のように若干の水分を含む場合を含む）とした燃料が使用されることも多くなっている。エタノールをガソリンに混合した混合燃料は、エタノールの含有割合に応じて、例えばＥ１０（エタノール１０％含有）、Ｅ２５（エタノール２５％含有）、Ｅ８５（エタノール８５％含有）等がある。

特許文献１には、オクタン価の異なる複数種の燃料、例えばガソリンと、エタノールと、エタノールとガソリンとの混合燃料とを選択的に使用する際に、低負荷時には低オクタン価の燃料を使用しつつミラーサイクルとし、高負荷時には高オクタン価の燃料を使用しつつ高圧縮比で燃焼を行わせるものが開示されている。

また、特許文献２には、エタノール等のアルコールを含有した燃料は、沸点が低くて、着火性が悪いということから、アルコール燃料またはアルコールとガソリンとの混合燃料の使用した際には、燃料に水素を添加してエンジンの始動を行うことが開示されている。

さらに、特許文献３には、吸気弁のリフト量と開弁角を変更する可変バルブ手段を設けて、アイドル時には、ポンピングロス低減のために、吸気弁を吸気行程下死点よりも前に閉弁させる吸気早閉じとすることが開示されている。
特開２００８−０３１９４８号公報特開２００７−２７８２５４号公報特開２００６−３４８７７４号公報

ところで、エンジンの低負荷領域、特にアイドル時には、ポンピングロス低減による燃費向上が強く求められることになる。また、エンジンの低負荷領域では、燃焼安定性をいかに確保するかも重要となる。特に、エタノール等の着火性の悪い燃料を使用するとき、あるいは着火性の悪い燃料とガソリンとの混合燃料を用いるようなときは、低負荷領域での燃焼安定性をいかに確保するかが問題となる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、低負荷領域でのポンピングロス低減と燃焼安定性とを共に満足できるようにした火花点火式直噴エンジンの制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明における制御方法にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
燃料噴射弁から燃焼室内に直接燃料噴射を行うと共に、該燃焼室内の混合気に対して点火プラグによって点火を行うようにした火花点火式直噴エンジンの制御方法であって、
エンジンの低負荷領域において、吸気弁を吸気行程初期から開弁させると共に吸気行程途中で閉弁させることによって、吸気弁が閉弁した状態でピストンが吸気行程下死点まで移動する所定期間を設定して、該所定期間に燃料噴射を行ない、
燃料噴射弁から噴射される燃料が、少なくともエタノールを含有しており、
燃料噴射弁から噴射される全燃料中のエタノールの含有割合を判別し、
エンジンの低負荷領域において、全燃料中のエタノールの含有割合が所定値以上と判別されたときは前記所定期間に燃料噴射を行う一方、エタノールの含有割合が該所定量未満であると判別されたときは吸気弁の開弁期間中に燃料噴射を行う、
ようにしてある。

上記解決手法によれば、エンジンの低負荷領域においては、吸気早閉じとすることによってポンピングロス低減が図られることになる。また、吸気弁が閉弁してから吸気行程下死点までの所定期間は、ピストンが吸気行程下死点に向けて移動することに伴って筒内に極めて大きな負圧が発生される。したがって、この極めて大きな負圧とされた雰囲気中に燃料噴射を行うことによって、エタノール等の着火性の悪い燃料を用いた場合であっても十分に気化、霧化（蒸発）されて、着火が確実に行われることは勿論のこと、その後も安定した燃焼が行われることになる。

また、気化、霧化の悪いエタノールを含有した燃料を使用したときでも、低負荷領域において燃焼安定性を十分に確保することができる。さらに、エンジンの低負荷領域において、燃焼性の悪くなるエタノールを多く含有する燃料を使用したときの燃焼安定性を確保しつつ、エタノールの含有が少なくて燃焼性が良好となる燃料を使用したときは、吸気弁の開弁期間中に燃料噴射を行って（つまり筒内負圧が極めて高くなる所定期間での燃料噴射を禁止して）、噴射燃料が大きな負圧下でもって飛びすぎることを防止あるいは抑制して、燃料が燃焼室壁面に多量に付着してしまう事態を防止あるいは抑制することができる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、請求項２に記載のとおりである。すなわち、
吸気弁が、吸気上死点付近を開弁開始時期として、エンジン回転数、エンジン負荷が増大するのに伴って閉弁時期が遅くされるように制御される、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、全運転領域に渡って、ポンピングロス低減とトルク確保とを共に高い次元で満足させることができる。

本発明によれば、エンジン低負荷領域において、ポンピングロス低減と燃焼安定性とを共に満足させることができる。

図１において、Ｅはエンジン、特に自動車用エンジンで、実施形態では、直列４気筒エンジンとされている。図１では１つの気筒が代表的に示され、シリンダ１と、シリンダヘッド２，シリンダ１内に摺動自在に嵌合されたピストン３とによって燃焼室４が画成されている。燃焼室４に臨ませて、燃料噴射弁５が配設されると共に、点火プラグ６が配設されている。

燃焼室４には、それぞれシリンダヘッド２に形成された２つの吸気ポート１０と２つの排気ポート１１とが開口されている。図１では、２つの吸気ポート１０および２つの排気ポート１１のうちの一方は、紙面直角方向に配設されて、図１では描かれていない。吸気ポート１０は、吸気弁１２によって開閉され、排気ポート１１は、排気弁１３によって開閉される。吸気弁１２を開閉駆動するためのカムシャフトが符合１４で示され、排気弁１３を開閉駆動するためのカムシャフトが符合１５で示される。各カムシャフト１４，１５は、それぞれ図示を略すクランク軸（つまりピストン３）と連動されている。クランク軸と吸気弁１２用のカムシャフト１４との連動機構中には、リフト調整機構１６が組み込まれている。リフト調整機構１６は、吸気弁１２の開弁特性を後述するように変更するものである。

各気筒における吸気ポート１０は、分岐吸気通路２０を介してサージタンク２１に連なっている。サージタンク２１には、共通吸気通路２２が連なっている。共通吸気通路２２には、その上流端においてエアクリーナ２３が配設され、エアクリーナ２３の下流側においてスロットル弁２４が配設されている。一方、排気ポート１１からの排気ガスは、排気通路３０を介して大気に排出される。排気通路３０には、例えば三元触媒等の排気ガス浄化装置３１が配設されている。そして、排気通路３０には、排気ガス浄化装置３１の上流側において、空燃比センサＳ４が配設されている。なお、空燃比センサＳ４は、理論空燃比を境にしてＯＮ、ＯＦＦするものであってもよく、また空燃比を連続式に検出できるものであってもよい。

図２において、Ｕは、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御ユニット）である。このコントローラＵは、前述した燃料噴射弁５，点火プラグ６，リフト調整機構１６を制御する。このコントローラＵには、各種センサＳ１〜Ｓ４からの信号が入力される。センサＳ１は、エンジン負荷を検出するもので、実施形態では、吸入空気量を検出するものとなっている。センサＳ２は、エンジン回転数を検出するものである。センサＳ３は、前述した空燃比センサである。センサＳ４は、クランク軸の回転位置つまりクランク角を検出するものである。

上記コントローラＵの制御の概要について、図３、図４を参照しつつ説明する。まず、図３は、リフト変更機構１６による吸気弁１２の開弁特性の変更状況を示す。この図３から明らかなように、吸気弁１２の開弁開始時期は、常時吸気行程初期（吸気上死点付近）となるように設定される。この一方、吸気弁１２の閉弁時期は大きく変化されるようになっており、この点について以下に詳述する。まず、α線で示すものが、リフト量がもっとも小さく、かつ閉弁時期が吸気行程ほぼ中間位置とされて、もっとも早いものとなっている。また、β線で示すものが、リフト量がもっとも大きく、しかも閉弁時期がもっとも遅くされて、閉弁時期が吸気行程下死点の後相当に遅い時期とされている。そして、α線とβ線との間においては、リフト量が大きくなるほど閉弁時期が遅くなるように設定されている。

吸気弁１２は、上記α線とβ線との間でもって、開弁特性が連続可変的あるいは段階的に変更される。この場合、図４に示すように、エンジン回転数が大きくなるほど、かつエンジン負荷が大きくなるほど、β線に近づくようにされる。そして、α線がアイドル時に対応したものとされ、β線が全負荷あるいは最高許容回転数に対応したものとされる。低負荷領域のとき、特にアイドル時にはα線となるように設定されて、ポンピングロス低減がもっとも効果的に得られる設定とされる。そして、エンジン負荷の増大あるいはエンジン回転数の増大に伴って、吸気弁１２の閉弁時期が徐々に遅くされて、ポンピングロス低減の効果が徐々に小さくなるようにされる（その分、吸気弁１２が開弁される期間や開弁リフト量が大きくされて、トルク確保に有利な設定となる）。なお、図３に示すような開弁特性を得るためのリフト変更機構１６は、例えば特許文献３に示すものを用いる等、従来から種々提案されている機構を用いて実現することができる。また、リフト可変機構１６として、例えば電磁コイルによって吸気弁１２を開閉駆動するものを選択すれば、任意のリフト量、任意の開弁角（開弁している期間中のクランク角）を得ることが可能である。

吸気早閉じのとき、例えばα線で示す開弁特性が設定されたときは、吸気弁１２が閉弁されてから、吸気行程下死点までのクランク角がかなり大きいものとなる。このときは、吸気弁１２の閉弁時から吸気行程下死点までの間の所定期間Ｔにおいて、ピストン３が吸気行程下死点に向けて移動するのに伴って、燃焼室４内に極めて大きな負圧が発生されることになる。したがって、この所定期間Ｔに燃料噴射を行うことにより（所定期間Ｔに噴射された燃料が、図３においてハッチングによって示される）、燃料が良好に蒸発つまり気化、霧化されることになる。したがって、気化、霧化の悪い燃料であっても、良好に着火されると共に、その後も安定した燃焼が確保されることになる。より具体的には、例えばエタノール燃料あるいはエタノールとガソリンとの混合燃料でしかもエタノールを多く含有（例えば１０％以上）した混合燃料のように、気化、霧化の悪い燃料を所定期間Ｔに噴射することによって、良好な着火とその後の安定した燃焼を確保することができる。一方、中負荷、高負荷領域では、吸気行程のうち吸気弁１２が開弁している期間に燃料噴射が行われる。これにより、燃焼室内が大きな負圧となっていないときに燃料噴射が行われることになって、噴射燃料が飛びすぎてピストン３の頂面や燃焼室４の内壁面に多量に付着してしまう事態が防止あるいは抑制されることになる。

図５は、コントローラＵが行う制御例を示すフローチャートであり、以下このフローチャートについて説明する。なお、以下の説明でＱはステップを示す。まず、Ｑ１において、各種センサＳ１〜Ｓ４からの信号が読み込まれる。この後、Ｑ２において、図４に示すマップにしたがって、吸気弁１２の開弁特性が、現在のエンジン負荷およびエンジン回転数に対応した開弁特性に設定される。

Ｑ２の後、Ｑ３において、空燃比センサＳ３によって、理論空燃比が検出されているか否かが判別される。このＱ３の判別でＹＥＳのときは、Ｑ４において、現在の燃料噴射量に基づいて、エタノールの含有割合が判定される。すなわち、実施形態では、ガソリンとエタノールとの混合燃料（エタノール１００％またはガソリン１００％とされる場合を含む）が使用されることを想定しており、Ｑ４の判別は、ガソリンに対するエタノールの含有割合の判別となる。この判別は、エタノールとガソリンとの理論空燃比の相違に基づいて行われるものである。具体的には、ガソリンの理論空燃比が１４．７であるのに対して、エタノールの理論空燃比は９というように、理論空燃比の値が大きく相違する。このことは、理論空燃比のときに、燃料噴射量が多いほど、エタノールの含有割合が多いということを意味するので、理論空燃比のときの燃料噴射量に基づいて、全燃料中のエタノールの含有割合を知ることができる。なお、空燃比センサＳ３として、空燃比を連続可変式に検出できるものを用いれば、検出された空燃比が理論空燃比以外のときでも、エタノールの含有割合を知ることができる。なお、エタノールの含有割合が変更されるのは、給油時であり、給油直後のエタノールの含有割合を判別すれば、次に給油するまでは、エタノールの含有割合を判別する処理は実質的に不要となる。

Ｑ４の後、あるいはＱ３の判別でＮＯのときは、Ｑ５において、エタノールの含有割合が決定されているか否かが判別される。このＱ５の判別でＹＥＳのときは、Ｑ６において、エタノールの含有割合が所定値（例えば１０％）以上であるか否かが判別される。このＱ６の判別でＹＥＳのときは、現在低負荷領域（例えば全負荷の２０％以下の負荷領域）であるか否かが判別される。このＱ７の判別でＹＥＳのときは、燃焼室４内に大きな負圧が生じる所定期間Ｔのときに燃料噴射が行われる。

上記Ｑ７の判別でＮＯのとき、あるいはＱ６の判別でＮＯのときは、それぞれ、Ｑ９において、吸気弁１２が開弁している期間中に燃料噴射が行われる。前記Ｑ５の判別でＮＯのときは、Ｑ７へ移行される。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。エンジンＥとしては、過給式、３気筒や６気筒以上のもの等、適宜の形式であってもよい。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明が適用されたエンジンの一例を示す簡略系統図。本発明の制御系統例を示すブロック図。吸気弁の開弁特性が変更される様子を示す特性図。図３の開弁特性をエンジン負荷とエンジン回転数に応じて変更するためのマップ。本発明の制御例を示すフローチャート。

Ｕ：コントローラ
Ｅ：エンジン
４：燃焼室
５：燃料噴射弁
６：点火プラグ
１１：吸気弁
１２：排気弁
１６：リフト調整機構
Ｓ１：センサ（エンジン負荷）
Ｓ２：センサ（エンジン回転数）
Ｓ３：センサ（空燃比センサ）
Ｓ４：センサ（クランク角）

Claims

燃料噴射弁から燃焼室内に直接燃料噴射を行うと共に、該燃焼室内の混合気に対して点火プラグによって点火を行うようにした火花点火式直噴エンジンの制御方法であって、
エンジンの低負荷領域において、吸気弁を吸気行程初期から開弁させると共に吸気行程途中で閉弁させることによって、吸気弁が閉弁した状態でピストンが吸気行程下死点まで移動する所定期間を設定して、該所定期間に燃料噴射を行ない、
燃料噴射弁から噴射される燃料が、少なくともエタノールを含有しており、
燃料噴射弁から噴射される全燃料中のエタノールの含有割合を判別し、
エンジンの低負荷領域において、全燃料中のエタノールの含有割合が所定値以上と判別されたときは前記所定期間に燃料噴射を行う一方、エタノールの含有割合が該所定量未満であると判別されたときは吸気弁の開弁期間中に燃料噴射を行う、
ことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御方法。
請求項１において、
吸気弁が、吸気上死点付近を開弁開始時期として、エンジン回転数、エンジン負荷が増大するのに伴って閉弁時期が遅くされるように制御される、ことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御方法。