JP5195237B2 - 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するものである。

火花点火式エンジンにおいては、燃費向上のために圧縮比を大きくすることが望まれるが、圧縮比を大きくすることによってノッキングを生じやすくなる。特許文献１には、エンジン低速域で共鳴過給による動的過給効果を得るようにしたエンジンにおいて、高負荷域でかつ吸気温度が高温となるノッキングが発生し易い運転状態のときは、動的過給効果が同調しないように変更して、充填量を低下させることによって、ノッキングを防止することが開示されている。また、特許文献２には、ノッキングが発生し易い低速・高負荷領域では、スワール弁を作動させて吸気流速を早めて、つまり燃焼速度を速めて、ノッキングを防止することが開示されている。さらに、特許文献３には、低速・高負荷領域では、吸気弁の閉弁時期を遅角させて、つまり吸気遅閉じとして、有効圧縮比を低下させることが開示されている。
特開平０８−２８４６７０号公報 特開２００６−２８３５７１号公報 特開２００１−１５９３４８号公報

ところで、火花点火式エンジンにあっては、良好な着火性や燃焼性が得られることによる燃費改善や排気ガス浄化の関係等から、広い運転領域に渡って理論空燃比で運転することが望まれている。この一方、理論空燃比で燃焼を行うことは、ノッキングを生じやすくなる。筒内の空燃比を、理論空燃比よりもリッチにすれば、トルク向上やノッキング防止には有利な反面、燃費の点で不利になってしまう。

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、広い運転領域に渡って理論空燃比で運転しつつ、理論空燃比で運転しているときのノッキングの防止と、理論空燃比で運転したときに得られる限界トルクを超えた大きなエンジントルクが得られるようにした火花点火式エンジンの制御装置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、
吸気通路に開度を小さくすることによって燃焼室内の吸気流動を高める制御弁が設けられた火花点火式エンジンの制御装置において、
理論空燃比で運転したときの最大負荷ラインが、エンジンの最大トルクラインよりも低トルク側になるように設定され、
前記最大負荷ラインを含んで該最大負荷ラインよりも低負荷領域においては、筒内空燃比が理論空燃比とされる理論空燃比領域とされ、
前記最大負荷ラインから前記最大トルクラインとの間の領域では、筒内空燃比が理論空燃比よりもリッチにされることによってトルクが向上されるエンリッチ領域とされ、
エンジン低速域において、前記最大負荷ラインを含む前記理論空燃比領域内での高負荷域における前記制御弁の開度が所定開度に閉じられる一方、前記エンリッチ領域における該制御弁の開度が該所定開度よりも大きくされる、
ようにしてある。上記解決手法によれば、エンジンの広い運転領域に渡って理論空燃比で運転して燃費改善を図りつつ、理論空燃比で運転したときに生じやすいノッキングを防止できる。特に、ノッキング防止のために筒内の吸気流速を早めることにより、点火時期のリタード量を小さくして、点火後の着火のばらつきによるトルク変動を抑制できるのでドライバビリティ向上の上でも好ましいものとなる。また、エンリッチ領域を設定することによって、理論空燃比で運転したときの限界を超えた大きなエンジントルクを確保することができる。そして、エンリッチ領域では、制御弁の開度が理論空燃比領域よりも大きくされるので、吸気抵抗を軽減して、十分にトルク向上を図る上で好ましいものとなる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記エンジンは、オクタン価が９５未満のガソリンを主成分とする燃料が使用燃料とされて、幾何学的圧縮比が１２以上に設定され、
エンジン低速域において、前記理論空燃比領域における全負荷時には前記制御弁が閉弁方向に制御されると共に点火時期が圧縮上死点以後とされる、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、高圧縮比エンジンにおいて、理論空燃比で運転したときのノッキングをより確実に防止する上で好ましいものとなる。

前記最大負荷ラインでのスロットル開度のときに吸入空気量が飽和するように設定され、
前記エンリッチ領域では、アクセル開度の増大に応じて燃料噴射量を増大させることによって筒内の空燃比のリッチ度合が大きくされる、
ようにしてある（請求項３対応）。この場合、理論空燃比領域を極力広く設定しつつ、エンリッチ領域ではアクセル開度の増大に応じたトルク増大を得ることができる。

前記理論空燃比領域においてノッキングが発生しやすい運転状態のときは、前記エンリッチ領域での運転状態に比して、有効圧縮比が小さくなるように変更される、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、有効圧縮比を低下させることによって充填量を低下させて、ノッキングをより確実に防止することができる

アクセル開度とスロットル開度との関係が、アクセル開度が１００％未満のときに吸入空気量が飽和するスロットル開度に設定されている、ようにしてある（請求項５対応）。この場合、アクセル開度に応じたスロットル開度が極力大きくなるようにされて、ポンピングロス低減による燃費向上の上でさらに好ましいものとなる。

本発明によれば、エンジンの広い運転領域に渡って理論空燃比で運転して燃費改善を図りつつ、理論空燃比で運転したときに生じやすいノッキングを防止できる。特に、ノッキング防止のために筒内の吸気流速を早めることにより、点火時期のリタード量を小さくして、点火後の着火のばらつきによるトルク変動を抑制できるのでドライバビリティ向上の上でも好ましいものとなる。また、エンリッチ領域を設定することによって、理論空燃比で運転したときの限界を超えた大きなエンジントルクを確保することができる。そして、エンリッチ領域では、制御弁の開度が理論空燃比領域よりも大きくされるので、吸気抵抗を軽減して、十分にトルク向上を図る上で好ましいものとなる。

図１において、エンジンＥは、実施形態では自動車用の直列４気筒の火花点火式エンジンとされている。エンジンＥの各気筒１は、それぞれ２つの吸気ポート２と２つの排気ポート３とを有する（図２、図３を参照）。吸気ポート２は吸気弁４によって開閉され、排気ポート３は排気弁５によって開閉される。そして、各気筒１には、燃料噴射弁６および点火プラグ７が配設されている。なお、燃料噴射弁６は、燃焼室内に直接燃料噴射を行う直噴式とされているが、吸気ポート２に燃料噴射するポート噴射式であってもよい。

図１中、８はシリンダブロック、９はシリンダヘッド、１０はピストン、１１は吸気弁４を開閉駆動する吸気弁用カムシャフト、１２は排気弁５を開閉駆動する排気弁用カムシャフトである。そして、吸気弁用カムシャフト１１には、吸気弁５の閉弁時期変更手段としての可変バルブ機構１３が設けられている。勿論、上記各カムシャフト１１，１２は、ピストン１０に連結されたクランク軸（図示略）と連動されている。エンジンＥは、オクタン価が９５未満のガソリンを主成分とする燃料が使用燃料とされたいわゆるレギュラーガソリン仕様のエンジンであって、幾何学的圧縮比が１２以上となる高圧縮比エンジンとされている。

前記各吸気ポート２は、分岐吸気通路２１を介してサージタンク２２に接続されている。このサージタンク２２には、共通吸気通路２３が接続されて、この共通吸気通路２３には、その上流側から下流側へ順次、エアクリーナ２４，スロットル弁２５が配設されている。また、図２に示すように、各気筒１について設けられた２つの吸気ポート２のうち、一方の吸気ポート２には、制御弁（スワール弁）２６が配設されている。この制御弁２６は、その開度が小さくなるほど吸気を絞ることになり、全閉状態では、他方の吸気ポート２からのみ吸気が供給されて、筒内で強い吸気のスワールが発生されることになる。なお、各気筒１の制御弁２６は、図示を略す連結ロッドによって連結されて、この連結ロッドを図示を略すアクチュエータによって回転駆動することによって、互いに連動して開閉される（各制御弁２６同士は同一開度になる）。また、各排気ポート３からの排気ガスは、排気通路４１を介して排出され、この排気通路４１には排気ガス浄化触媒４２が接続されている。

前記可変バルブ機構１３は、吸気弁４の開弁角を一定に保持したまま、その開弁時期と閉弁時期とを変更する位相式とされている。このような可変バルブ機構１３は、例えばクランク軸（つまりピストン１０）と吸気弁用カムシャフト１１との間に配設されたプーリ中に組み込まれて、クランク軸に対する吸気弁用カムシャフト１１の位相を変更する。図３には、可変バルブ機構１３によって吸気弁４が位相変更される様子が示される。すなわち、吸気弁４は、吸気上死点の若干前から開弁されると共に吸気下死点の後に閉弁される通常の開閉時期となる状態が、もっとも進角された状態とされる。また、吸気上死点から大きく遅れて開弁されると共に吸気下死点以後に大きく遅れて閉弁される吸気遅閉じの状態がもっとも遅角された状態とされる。そして、吸気弁４は、上記もっとも進角された状態ともっとも遅角された状態との間で、連続可変式に位相変更される。なお、排気弁５は、膨張下死点よりも前に開弁されると共に、吸気上死点の若干後に閉弁される通常の開閉時期に固定されている。

図４は、アクセル開度に対するスロットル弁２５下流の吸気圧力の設定例を示すものである。この図４においてアクセル開度がＡＣ１（例えば８０％〜９０％の範囲で設定された開度）までは、アクセル開度の増大に応じてスロットル開度が増大されて吸気圧力が高くなっていき、アクセル開度がＡＣ１となった時点で吸入空気量が飽和するスロットル開度とされる。すなわち、スロットル弁２５の前後差圧が無くなるスロットル弁２５下流の吸気圧力（大気圧力ないしは大気圧力に近時する圧力）とされる。なお、アクセル開度がＡＣ１になるまでの間のスロットル弁２５下流の吸気圧力は線形的に変化されるが、非線形的に変化されるものであってもよい。アクセル開度がＡＣ１未満のときは、高負荷域を除いて吸気弁４はもっとも遅角された吸気遅閉じとされて、有効圧縮比が小さくされることによるポンピングロス低減によって燃費向上が図られる。また、アクセル開度がＡＣ１未満のときは、筒内空燃比が理論空燃比（実施形態ではガソリンを燃料としているので、１４．７）に設定される。図５において、アクセル開度がＡＣ１になった時点でのトルク曲線が、符合Ｗ１で示される。

上記アクセル開度がＡＣ１よりも高開度以上になると、吸気弁４がもっとも進角された状態が維持されつつ、燃料噴射量が増量されることによって筒内空燃比が理論空燃比よりもリッチにされる(エンリッチ）。そして、リッチ化の度合は、アクセル開度が大きいほど大きくされる。例えば、アクセル開度が１００％になったときに、筒内空燃比が例えば１１に設定される（アクセル開度がＡＣ１から１００％に変化するのに伴って、筒内空燃比が理論空燃比から１１まで変化される）。このように、アクセル開度が所定の高開度以上になったときは、空燃比のリッチ化によってさらにトルク向上が図られることになる。また、吸気遅閉じをやめることにより、有効圧縮比が大きくなって、その分トルク向上が得られることになる。図５において、アクセル開度が１００％になった時点でのトルク曲線が、符合Ｗ２で示される（Ｗ１＜Ｗ２）。

図６は、点火時期のリタード量とトルク変動との関係を示すものである。図６に示すように、点火時期がリタード量が大きくなるほど、トルクが大きく落ち込むことになる。一方、点火プラグ７による着火時期は、燃焼サイクル毎にわずかに相違することになるが、着火時期の範囲（着火時期のずれ範囲）は点火時期のリタード量の変化にかかわらずほほ一定である。そして、点火時期のリタード量が大きくなるほど、着火範囲でのトルク変動（燃焼変動）が大きくなって、ドライバビリティが損なわれることになる。換言すれば、ノッキング防止のために点火時期のリタード量が一般的に行われているが、このリタード量を小さくすることにより、トルク変動（燃焼変動）が抑制されて、ドライバビリティ向上の上で好ましいものとなる。

図７は、制御系統をブロック図的に示すもので、図中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である。このコントローラＵには、各種センサＳ１〜Ｓ７からの信号が入力される。センサＳ１は、アクセル開度を検出するものである。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、吸入空気量を検出するものである。センサＳ４は、排気ガス浄化触媒３２の直上流側での空燃比（筒内空燃比に相当）を検出するもので、リニアセンサとされて、空燃比を連続可変式に検出するものとなっている。センサＳ５は、エンジン冷却水温度を検出するものである。センサＳ６は、吸気温度を検出するものである。センサＳ７は、スロットル開度を検出するものである。また、コントローラＵは、前述した燃料噴射弁６、点火プラグ７，可変バルブ機構１３，スロットル弁２５（用のアクチュエータ），制御弁２６（用のアクチュエータ）を後述のように制御する。

次に、図８に示すフローチャートを参照しつつ、コントローラＵによる制御例について説明する。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〜Ｓ７からの信号が入力される。この後、アクセル開度とエンジン回転数に応じたスロットル開度とされる（図４の特性にしたがう制御で、センサＳ７を用いた制御）。この後、Ｑ３において、現在の運転状態が、アクセル開度がとなるＡＣ１未満であ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、筒内空燃比が理論空燃比となるように、センサＳ４を利用して燃料噴射量がフィードバック制御される。

上記Ｑ４の後、Ｑ５において、高負荷時であるか否かが判別される。この判別は、例えばアクセル開度が所定開度（例えば６０％）以上であるか否かをみることによって行うことができる。このＱ５の判別でＮＯのときは、ノッキングの可能性がないときであり、このときはＱ６において、燃費向上のために吸気遅閉じとされ（吸気弁４の閉弁時期がもっとも遅角された状態）、また制御弁２６が全開状態から若干閉弁方向に制御されて、弱いスワールが発生される（スワールレベルが小）。

上記Ｑ５の判別でＹＥＳのときは、Ｑ７において、吸気遅閉じなしとされる。このＱ７の処理においては、吸気弁４の閉弁時期をもっとも進角させた状態へと一気に切り替えることもできるが、負荷(例えばアクセル開度）が増大されるに応じて吸気弁４の閉弁時期を徐々に進角させて、少なくとも図５のＷ１に示す最大負荷ラインとなった時点で吸気弁４の閉弁時期がもっとも進角された状態となるようにしてもよい。また、Ｑ６では、制御弁２６がさらに閉弁方向に制御されて（半閉じ）、中程度のスワールが発生される。

上記Ｑ７の後、Ｑ８において、ノッキングの可能性があるか否かが判別される。具体的には、エンジン回転数が所定回転数（例えば１５００ｒｐｍ）以下の低回転であり、エンジン冷却水温度が所定温度（例えば９０度Ｃ）以上であり、吸気温度が所定温度（例えば３０度Ｃ）以上であるときに、ノッキングが発生しやすい運転状態であると判別される。なお、ノッキングが発生しやすい運転状態であるか否かの条件設定は、上述した以外に適宜の手法を採択できる。このＱ８の判別でＮＯのときは、そのままリターンされる。

上記Ｑ８の判別でＹＥＳのときは、Ｑ９において、ノッキングを防止するために、点火時期がリタードされる。すなわち、ノッキングの可能性がないときは通常どおり圧縮上死点前に点火が実行されるが、ノッキングの可能性があるときは圧縮上死点後に点火が実行される。また、吸気遅閉じとされて(もっとも遅角）、有効圧縮比が低下つまり充填量が低下され、さらに制御弁２６が閉弁（全閉）されて筒内に強いスワール（スワールレベルが大）が生成される。このようなＱ９での処理によって、ノッキングが確実に防止される。

前記Ｑ３の判別でＮＯのときは、エンリッチ領域のときなので、このときはＱ１０において、吸気弁４の閉弁時期がもっとも進角された状態とされ（吸気遅閉じなし）、筒内空燃比が理論空燃比よりもリッチとされ(アクセル開度が大きいほどよりリッチとされる）、さらに制御弁２６が全開とされる（スワールは強化しない）。

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は、オクタン価が９５以上のガソリンを主成分とする燃料が使用燃料とされたいわゆるハイオクガソリン仕様のエンジンであって、幾何学的圧縮比が１３以上であってもよい。また、エンジンＥは、３気筒や６気筒等、他の多気筒エンジンであってもよい。可変バルブ機構１３は、吸気弁４の開弁時期を一定あるいはほど一定にしたまま、閉弁時期を変更するものであってもよく、開弁角やリフト量をも変更可能な形式であってもよい。排気弁５用の可変バルブ機構を有するものであってもよい。吸気弁用、排気弁用共に、可変バルブ機構を有しないものであってもよい。

吸入空気量が飽和した後は、空燃比のリッチ化のみによってトルク向上を図るようにしてもよく（特に吸気弁用の可変バルブ機構１３を有しない場合）、あるいは吸気弁４の閉弁時期の進角と空燃比のリッチ化とを同時に行うようにしてもよい。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。

本発明の一実施形態を示すもので、エンジンの簡略断面図。 スワール生成用の制御弁の配設例を示す簡略平面図。 吸気弁の位相変更を示す図。 アクセル開度とスロットル弁下流の吸気圧力との設定例を示す図。 理論空燃比領域とエンリッチ領域とを示す図。 点火時期のリタード量とトルク変動との関係を示す図。 本発明の制御系統を示すブロック図。 本発明の制御例を示すフローチャート。

Ｕ：コントローラ
Ｓ１：センサ（アクセル開度）
Ｓ２：センサ（エンジン回転数）
Ｓ３：センサ（吸入空気量）
Ｓ４：センサ（空燃比）
Ｓ５：センサ（冷却水温度）
Ｓ６：センサ（吸気温度）
Ｓ７：センサ（スロットル開度）
Ｅ：エンジン
１：気筒
２：吸気ポート
３：排気ポート
４：吸気弁
５：排気弁
６：燃料噴射弁
７：点火プラグ
１３：可変バルブ機構
２１：分岐吸気通路
２２：サージタンク
２３：共通吸気通路
２５：スロットル弁
２６：制御弁（スワール生成用）
４１：排気通路
４２：排気ガス浄化触媒

Claims (5)

1. 吸気通路に開度を小さくすることによって燃焼室内の吸気流動を高める制御弁が設けられた火花点火式エンジンの制御装置において、
   理論空燃比で運転したときの最大負荷ラインが、エンジンの最大トルクラインよりも低トルク側になるように設定され、
   前記最大負荷ラインを含んで該最大負荷ラインよりも低負荷領域においては、筒内空燃比が理論空燃比とされる理論空燃比領域とされ、
   前記最大負荷ラインから前記最大トルクラインとの間の領域では、筒内空燃比が理論空燃比よりもリッチにされることによってトルクが向上されるエンリッチ領域とされ、
   エンジン低速域において、前記最大負荷ラインを含む前記理論空燃比領域内での高負荷域における前記制御弁の開度が所定開度に閉じられる一方、前記エンリッチ領域における該制御弁の開度が該所定開度よりも大きくされる、
   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において、
   前記エンジンは、オクタン価が９５未満のガソリンを主成分とする燃料が使用燃料とされて、幾何学的圧縮比が１２以上に設定され、
   エンジン低速域において、前記理論空燃比領域における全負荷時には前記制御弁が閉弁方向に制御されると共に点火時期が圧縮上死点以後とされる、
   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１または請求項２において、
   前記最大負荷ラインでのスロットル開度のときに吸入空気量が飽和するように設定され、
   前記エンリッチ領域では、アクセル開度の増大に応じて燃料噴射量を増大させることによって筒内の空燃比のリッチ度合が大きくされる、
   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１ないし請求項３のいずれか１項において、
   前記理論空燃比領域においてノッキングが発生しやすい運転状態のときは、前記エンリッチ領域での運転状態に比して、有効圧縮比が小さくなるように変更される、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１ないし請求項４のいずれか１項において、
   アクセル開度とスロットル開度との関係が、アクセル開度が１００％未満のときに吸入空気量が飽和するスロットル開度に設定されている、ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。

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