WO2010131555A1 - 圧縮自己着火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

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torque
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角谷啓
熊野賢吾
山岡士朗
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a control device for a compression self-ignition internal combustion engine, and more particularly, to a control device for a compression self-ignition internal combustion engine suitable for switching the combustion mode between spark ignition combustion and compression self-ignition combustion.
  • compression self-ignition type that compresses the air-fuel mixture and performs self-ignition combustion (compression self-ignition type combustion) in order to achieve both improved fuel efficiency and exhaust performance in internal combustion engines used in automobiles, etc.
  • Gasoline engines (hereinafter referred to as compression self-ignition engines) are attracting attention.
  • the compression self-ignition engine consumes fuel by increasing the efficiency by high compression ratio, reducing pump loss, and reducing cooling loss by rapid combustion, compared to spark ignition type combustion in which the air-fuel mixture is ignited and burned with sparks from the spark plug. Since the amount is reduced and the NOx concentration in the exhaust gas is reduced by low-temperature combustion of the air-fuel mixture, it is possible to achieve both fuel efficiency and exhaust performance.
  • One of the means for realizing compression self-ignition combustion is the introduction of EGR. Spark ignition combustion can be performed in a region where the air-fuel ratio is relatively rich and the EGR rate is relatively low, whereas compression self-ignition combustion when the above-described means is applied has an air-fuel ratio of It is relatively lean and can be implemented in a region where the internal EGR rate is relatively high. In addition, there is a combustion unstable region where both combustions are unstable between the regions.
  • EGR a method in which exhaust gas remains in the cylinder by providing a negative overlap period in which both the intake valve and the exhaust valve are closed in the exhaust stroke
  • a method of inhaling exhaust gas together with fresh air by providing a bypass from the exhaust pipe upstream of the intake valve (external EGR), or a method of re-inhaling exhaust gas by opening the exhaust valve in the intake stroke ( Exhaust re-inhalation) is used.
  • Compressed self-ignition combustion is combustible even in an atmosphere where the air-fuel ratio, which is the mass ratio of the air amount in the cylinder to the fuel amount, is leaner (the fuel amount is smaller) than in the spark ignition combustion. Therefore, with the aim of reducing fuel consumption and NOx emissions, the air-fuel ratio is set to lean in the compression self-ignition combustion. This is realized by fully opening the throttle opening and taking in a large amount of air into the cylinder. However, since the amount of fresh air is limited in the naturally aspirated engine as described above, the air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion region changes to rich (the fuel is large) as the engine torque increases.
  • the air-fuel ratio on the high load side in the compression self-ignition combustion region is often set near the stoichiometric range.
  • the throttle is fully opened and a large amount of air is introduced into the cylinder to make the air-fuel ratio lean, but the amount of air that can be introduced varies depending on various conditions.
  • the conditions include the surrounding environment such as atmospheric pressure and temperature, the operating state of manufacturing and deterioration of intake and exhaust valves that perform cylinder gas exchange, and the operating state of the injector that injects fuel.
  • Patent Document 1 relates to a technique for switching between combustion in a combustion region performed at a relatively low engine torque and combustion in a second combustion region performed at a high engine torque in a diesel engine. Specifically, based on the air-fuel ratio during operation in the combustion region, when the air-fuel ratio is rich, the engine torque upper limit value in the combustion region is changed to the high engine torque side. When the air-fuel ratio is lean, the engine torque upper limit value in the combustion region is changed to the low engine torque side.
  • Patent Document 1 The technology disclosed in Patent Document 1 is effective for a diesel engine, but when applied to a compression self-ignition engine, it is not possible to satisfy drivability and fuel consumption reduction. Specifically, when the air-fuel ratio at the time of compression self-ignition combustion is richer than the initial setting, the upper limit value of the compression self-ignition combustion region is changed to the high engine torque side. At this time, since the air-fuel ratio is rich, the amount of fuel is increased as the engine torque is increased despite the fact that the amount of fresh air is less than the initial state, and in the vicinity of the newly set compression self-ignition combustion region There is a problem that the air-fuel ratio in the engine becomes excessively rich and misfire occurs.
  • the air-fuel ratio at the upper limit value is changed to the low engine torque side when the air-fuel ratio at the time of compression self-ignition combustion is leaner than the initial setting, the air-fuel ratio at the upper limit value is In spite of being lean, there is a problem that the implementation of the compression self-ignition combustion is limited, and the fuel consumption reduction potential cannot be effectively utilized.
  • an object of the present invention is to satisfy drivability and low fuel consumption in a compression self-ignition engine even when the air-fuel ratio changes due to changes in the environment surrounding the engine and the operating state of the mounted device. It is to provide a control method that can be used.
  • a control device for a compression self-ignition internal combustion engine includes an injector for injecting fuel into a combustion chamber, an ignition device for igniting the fuel injected into the combustion chamber, An intake valve provided on an intake side of a cylinder forming a part of the combustion chamber and capable of controlling an operation timing; an exhaust valve provided on an exhaust side of the cylinder and capable of controlling an operation timing; and the combustion chamber Spark ignition used in a compression self-ignition internal combustion engine having a throttle capable of controlling the amount of air flowing in, igniting the fuel sprayed from the injector by the ignition device, and burning the fuel to operate the internal combustion engine
  • the fuel injected from the injector is burned by the pressure increase in the cylinder accompanying the piston combustion mode and the rise of the piston forming the combustion chamber
  • the control device sets the upper limit value of the torque in the compression self-ignition combustion region as the upper limit value. It changes in the direction which increases.
  • the control device for a compression self-ignition internal combustion engine is such that the air-fuel ratio during execution of the compression self-ignition combustion mode is richer than the predetermined value, and the compression self-ignition combustion
  • the compression self-ignition is performed with reference to the torque before the request to increase the torque.
  • the amount of increase is smaller than the increase when the air-fuel ratio is the predetermined value. The torque is increased in the ignition combustion mode.
  • control device is configured such that the air-fuel ratio during the compression self-ignition combustion mode is leaner than a predetermined value, and the compression self-ignition combustion region is When there is a request to increase the torque above the upper limit value, the amount to increase the torque in the compression self-ignition combustion mode with reference to the torque before the request to increase the torque, The torque is increased from the increase when the air-fuel ratio is a predetermined value, the torque is increased in the compression self-ignition combustion mode, and then the torque is increased in the spark ignition combustion mode. To do.
  • control device for a compression self-ignition internal combustion engine is such that the air-fuel ratio during execution of the compression self-ignition combustion mode is richer than a predetermined value, and the compression self-ignition combustion
  • the compression self-ignition combustion mode is continued before the torque is requested to increase. Based on the period, after shortening the period for increasing the torque in the compression self-ignition combustion mode and increasing the torque in the compression self-ignition combustion mode, in the spark ignition combustion mode The torque is increased.
  • control device is configured such that the air-fuel ratio during the compression self-ignition combustion mode is leaner than a predetermined value, and the compression self-ignition combustion region is When there is a request to increase the torque above the upper limit value, the compression self-ignition combustion mode is used in the compression self-ignition combustion mode with reference to a period of continuing the compression self-ignition combustion mode before the request to increase the torque.
  • the torque is increased in the compression ignition combustion mode after extending the period for increasing the torque, and then the torque is increased in the spark ignition combustion mode.
  • the air-fuel ratio used for changing the upper limit value of the compression self-ignition combustion region is an air-fuel ratio provided downstream of the exhaust valve. It determines based on the output signal of the sensor which detects this.
  • the air-fuel ratio flows into a sensor provided in the internal combustion engine for measuring the flow rate of air passing through the intake pipe, a sensor for measuring the pressure in the intake pipe, or the combustion chamber.
  • a sensor for measuring the temperature of the air amount a sensor for measuring atmospheric pressure, a sensor for measuring the engine temperature of the internal combustion engine, a sensor for measuring the flow rate of the fuel passing through the injector, or the above It is determined based on any one output signal of a sensor that measures a pressure applied to the fuel to inject the fuel from an injector.
  • the miscellaneous fire is suppressed and the drivability is suppressed.
  • 1 is a system configuration diagram showing a configuration of an engine system in which a control device for a compression self-ignition internal combustion engine according to an embodiment of the present invention is applied to an automobile gasoline engine.
  • 1 is a system block diagram illustrating a configuration of a control device for a compression self-ignition internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. It is a control block diagram which shows the structure of the combustion mode switching of the control apparatus of the compression self-ignition internal combustion engine by embodiment of this invention. It is a control block diagram which shows the structure of the combustion mode switching determination of the control apparatus of the compression self-ignition internal combustion engine by embodiment of this invention.
  • Spark ignition type when the measured air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode is richer than the initial target air-fuel ratio when the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention is not applied It is a timing chart which shows the content of the combustion mode switching control with a combustion mode and a compression self-ignition type combustion mode. Even when the combustion mode switching control between the spark ignition type combustion mode and the compression self ignition type combustion mode is performed by the control device for the compression self ignition type internal combustion engine according to the embodiment of the present invention, It is a timing chart which shows the operation
  • Spark ignition type when the measured air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode is leaner than the initial target air-fuel ratio when the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention is not applied It is a timing chart which shows the content of the combustion mode switching control with a combustion mode and a compression self-ignition type combustion mode. Even when the combustion mode switching control between the spark ignition type combustion mode and the compression self ignition type combustion mode is performed by the control device for the compression self ignition type internal combustion engine according to the embodiment of the present invention, It is a timing chart which shows the operation
  • FIG. 1 is a system configuration diagram showing a configuration of an engine system in which a control device for a compression self-ignition internal combustion engine according to an embodiment of the present invention is applied to an automobile gasoline engine.
  • Engine 100 is an automotive gasoline engine that performs spark ignition combustion and compression self-ignition combustion.
  • An air flow sensor 1 for measuring the intake air amount and an electronic control throttle 2 for adjusting the intake flow rate are provided at appropriate positions of the intake pipe 6.
  • the engine 100 includes an injector 3 that injects fuel into a combustion chamber surrounded by the cylinder 7 and the piston 14, and an ignition plug (ignition device) 4 that supplies ignition energy to ignite the fuel injected into the combustion chamber. are provided at appropriate positions in each of the cylinders 7.
  • a variable valve 5 including an intake valve 5a for adjusting the intake gas flowing into the cylinder and an exhaust valve 5b for adjusting the exhaust gas discharged from the cylinder is provided at each appropriate position of the cylinder 7. It has been.
  • the engine 100 is provided with a three-way catalyst 10 for purifying exhaust gas and an air-fuel ratio detector which is an aspect of an air-fuel ratio detector and detects an air-fuel ratio of the exhaust gas upstream of the three-way catalyst 10. It is provided at an appropriate position of the tube 8.
  • the crankshaft 11 is provided with a crank angle sensor 12 for calculating the rotation angle.
  • an accelerator opening sensor 16 that detects the accelerator opening is provided.
  • Signals obtained from the airflow sensor 1, the air-fuel ratio sensor 9, and the crank angle sensor 12 are sent to an engine control unit (control device: ECU) 20.
  • a signal obtained from the accelerator opening sensor 16 is sent to the ECU 20.
  • the accelerator opening sensor 16 detects the amount of depression of the accelerator pedal, that is, the accelerator opening.
  • the ECU 20 calculates the required torque based on the output signal of the accelerator opening sensor 16. That is, the accelerator opening sensor 16 is used as a required torque detection sensor that detects a required torque for the engine. Further, the ECU 20 calculates the rotational speed of the engine based on the output signal of the crank angle sensor 12.
  • the ECU 20 optimally calculates the main operating amount of the engine such as the air flow rate, the fuel injection amount, and the ignition timing based on the operating state of the engine obtained from the outputs of the various sensors.
  • the fuel injection amount calculated by the ECU 20 is converted into a valve opening pulse signal and sent to the injector 3. Further, a spark plug drive signal is sent to the spark plug 4 so as to be ignited at the ignition timing calculated by the ECU 20.
  • the throttle opening calculated by the ECU 20 is sent to the electronic control throttle 2 as a throttle drive signal. Further, the operation amount of the variable valve calculated by the ECU 20 is sent as a variable valve drive signal to the variable valve 5 including the intake valve 5a and the exhaust valve 5b.
  • FIG. 2 is a system block diagram showing the configuration of the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention.
  • the output signals of the air flow sensor 1, the air-fuel ratio sensor 9, the exhaust temperature sensor 111, and the crank angle sensor 12 are input to the input circuit 20a of the ECU 20.
  • the input signals are not limited to these, and the above-described signals are also input.
  • the input signal of each input sensor is sent to the input port in the input / output port 20b.
  • the value sent to the input / output port 20b is stored in the RAM 20c and processed by the CPU 20e.
  • a control program describing the contents of the arithmetic processing is written in advance in the ROM 20d.
  • the value indicating the operation amount of each actuator calculated in accordance with the control program is stored in the RAM 20c, then sent to the output port in the input / output port 20b, and sent to each actuator via each drive circuit.
  • Each circuit controls the electronic control throttle 2, the injector 3, the spark plug 4, and the variable valve 5, and performs the combustion control described later.
  • the device includes the drive circuit in the ECU 20.
  • the present invention is not limited to this, and any of the drive circuits may be provided in the ECU 20.
  • FIG. 3 is a control block diagram showing the combustion mode switching configuration of the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention.
  • ECU20 performs the combustion mode switching control which suppresses deterioration of driving performance, when switching combustion mode by spark ignition type combustion and compression self-ignition type combustion.
  • combustion mode switching control between the spark ignition type combustion and the compression self-ignition type combustion in the combustion mode switching control will be described.
  • the ECU 20 includes a combustion mode switching determination unit 21, a spark ignition type combustion operation amount calculation unit 22, a compression self-ignition combustion operation amount calculation unit 23, and a combustion mode switching unit 24.
  • a combustion mode switching determination unit 21 a spark ignition type combustion operation amount calculation unit 22 a compression self-ignition combustion operation amount calculation unit 23 a combustion mode switching unit 24.
  • each part of illustration is used for switching control of combustion mode, and illustration is abbreviate
  • the combustion mode switching determination unit 21 is based on the required engine torque Te * required for the engine 100, the engine rotational speed Ne, and ABFtgt which is an output signal from the air-fuel ratio sensor 9, which will be described later with reference to FIGS. It is determined whether the combustion mode can be switched using the map, and the combustion mode switching flag Fex is set.
  • the required engine torque Te * is separately calculated inside the ECU 20 based on the accelerator opening detected by the accelerator opening sensor 16 as described above.
  • the engine speed Ne is separately calculated inside the ECU 20 based on the detection signal of the crank angle sensor 12.
  • FIG. 4 is a control block diagram showing a configuration of the combustion mode switching determination unit 21 of FIG.
  • the combustion mode switching determination unit 21 includes a region upper limit value calculation unit 21a, a target air-fuel ratio calculation unit 21b, a subtraction unit 21c, a region upper limit value correction amount calculation unit 21d, a subtraction unit 21e, and a combustion mode switching unit. 21f.
  • the region upper limit value calculation unit 21a calculates an upper limit value Tul of the engine torque Te that can implement the compression self-ignition combustion mode based on, for example, the map shown in FIG.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the combustion range of the spark ignition type combustion mode and the compression self-ignition type combustion mode and the upper limit value of the target engine torque Te * that can implement the compression self-ignition type combustion mode.
  • the horizontal axis indicates the engine rotation speed Ne
  • the vertical axis indicates the engine torque Te.
  • the spark ignition type combustion mode (SI: Spark Ignition) is a combustion mode in which the fuel sprayed from the injector 3 is ignited and burned by the spark plug (ignition device) 4 to operate the engine (internal combustion engine). As shown, it can be realized in a wide range from a low rotation speed of the engine rotation speed Ne to a high rotation speed and from a low torque of the engine torque Te to a high torque.
  • the compression self-ignition combustion mode (HCCI: Homogeneous ⁇ ⁇ Charge Compression Ignition)
  • the fuel injected from the injector 3 is burned by the pressure rise in the cylinder accompanying the rise of the piston 14 forming the combustion chamber (internal combustion engine)
  • internal combustion engine As a method for realizing this, there are methods such as intake air heating, high compression, and introduction of internal EGR.
  • introduction of internal EGR by operation of valve timing is a highly feasible method.
  • the compression self-ignition combustion mode HCCI can be realized in an operating state with a low load and a low rotational speed.
  • FIG. 5 shows an upper limit value Tul of the engine torque Te in a region where the compression self-ignition combustion mode can be performed.
  • the upper limit value Tul is determined according to the engine speed Ne.
  • the region in which the compression self-ignition combustion mode shown in FIG. 5 can be implemented and the upper limit value of the engine torque may be determined in advance by tests or simulations, or based on a mathematical model describing compression self-ignition combustion. It may be a thing.
  • the target air-fuel ratio calculation unit 21b calculates the target air-fuel consumption ABFtgt in the compression self-ignition combustion mode according to the target engine torque Te * and the engine speed Ne based on the map shown in FIG.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the target air-fuel ratio ABFtgt in a predetermined state under operating conditions determined by the target engine torque Te * and the engine speed Ne in the compression self-ignition combustion mode.
  • the horizontal axis indicates the engine rotation speed Ne
  • the vertical axis indicates the engine torque Te.
  • the compression self-ignition combustion mode is limited to operating conditions of low engine torque and low rotational speed.
  • the opening degree of the electronic control throttle 2 is set as large as possible, and a large amount of air is introduced into the cylinder.
  • the amount of fuel required in the compression self-ignition combustion region increases as the engine torque Te increases and as the engine speed increases. Therefore, the air-fuel ratio becomes lean at low engine torque and low engine speed, and the air-fuel ratio becomes rich as the fuel amount increases as the engine torque increases and the engine speed increases.
  • the air-fuel ratio shown in FIG. 6 is an example under a predetermined condition, and is not limited to this. Further, the target air-fuel ratio ABFtgt shown in FIG. 6 may be determined in advance by experiment or simulation, or may be calculated based on a mathematical model describing the air-fuel ratio at the time of compression self-ignition combustion. good.
  • the subtraction unit 21c subtracts ABFact that is the output signal of the air-fuel ratio sensor 9 from the target ABFtgt, and calculates ⁇ ABF that is the difference of the air-fuel ratio.
  • the region upper limit correction amount calculation unit 21d calculates ⁇ Tul for correcting the upper limit value Tul of the engine torque in the compression self-ignition combustion mode based on ⁇ ABF which is the difference in air-fuel ratio. For example, after calculating the fuel injection amount for realizing the operating condition when calculating ⁇ ABF which is the difference of the air-fuel ratio, calculating the air amount accompanying ⁇ ABF based on ⁇ ABF and the fuel injection amount, the air amount The region upper limit correction amount ⁇ Tul may be calculated based on the above. Further, ⁇ ABFtgt is subtracted from the target air-fuel ratio ABFtgt based on the map showing the target air-fuel ratio ABFtgt in the compression self-ignition combustion mode shown in FIG.
  • the current engine speed Ne is determined from the target air-fuel ratio map of FIG.
  • the air-fuel ratio obtained by subtracting ⁇ ABF from ABFtgt may be searched, the engine torque 1 that becomes the matched target air-fuel ratio ABFtgt may be calculated, and the amount obtained by subtracting the engine torque from the region upper limit value Tul may be ⁇ Tul.
  • the region upper limit correction amount calculation unit 21d is not limited to the above, and may be based on a mathematical model describing compression self-ignition combustion.
  • the subtraction unit 21e subtracts the region upper limit value correction amount ⁇ Tul, which is the output of the region upper limit value correction amount calculation unit 21d, from the region upper limit value calculation unit Tul, which is the output of the region upper limit value calculation unit 21a. Is output as a new region upper limit value nTul of the engine torque Te in the compression self-ignition combustion mode.
  • the combustion mode switching unit 21 f is an operation region in which the compression self-ignition combustion mode can be performed when the spark ignition combustion mode is performed, and the target engine torque Te * and the engine rotation speed Ne.
  • the operation condition determined by the target engine torque Te * and the engine speed based on the target engine torque Te *, the engine speed Ne, and the new region upper limit value nTul is the compression self-ignition type.
  • FIG. 7 when the air-fuel ratio, which is the mass ratio of the amount of air and the amount of fuel introduced into the combustion chamber in which the compression self-ignition combustion mode is being implemented, is richer than a predetermined value, the compression self-ignition combustion
  • the upper limit value of the torque in the region is changed in a direction in which the upper limit value decreases (the upper limit value in the torque direction in the compression self-ignition combustion region is changed in a direction in which the torque decreases).
  • FIG. 7 when the air-fuel ratio, which is the mass ratio of the amount of air and the amount of fuel introduced into the combustion chamber in which the compression self-ignition combustion mode is being implemented, is richer than a predetermined value, the compression self-ignition combustion The upper limit value of the torque in the region is changed in a direction in which the upper limit value decreases (the upper limit value in the torque direction in the compression self-ignition combustion region is changed in a direction in which the torque decreases).
  • FIG. 7 when the air-fuel ratio, which is the mass ratio of
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing the operation of the combustion mode switching determination unit 21 when the measured air-fuel ratio ABFact, which is an output signal of the air-fuel ratio sensor 9 under the operating condition x, is richer than the target air-fuel ratio ABFtgt. It is.
  • a line segment Tul indicated by points A and B indicates the engine torque upper limit value in the compression self-ignition combustion mode region in the initial setting.
  • a line segment nTul indicated by the points A ′ and B ′ indicates a new area upper limit value determined based on the area upper limit correction amount ⁇ Tul and the area upper limit value Tul.
  • the new region upper limit value nTul is obtained by subtracting the region upper limit correction amount ⁇ Tul from the region upper limit value Tul when the air-fuel ratio difference ⁇ ABF is positive (the measured air-fuel ratio ABFact is richer than the target air-fuel ratio ABFtgt).
  • the ignition combustion region is changed to a region (region where the engine torque is low) narrower than the initial setting surrounded by the new region upper limit value nTul.
  • FIG. 8 when the air-fuel ratio during the compression self-ignition combustion mode is leaner than a predetermined value, the upper limit value of the torque in the compression self-ignition combustion region is increased. (The upper limit value in the torque direction of the compression self-ignition combustion region is changed to a direction in which the torque decreases).
  • FIG. 8 it is an explanatory diagram showing the operation of the combustion mode switching determination unit 21 when the measured air-fuel ratio ABFact under the operating condition x is leaner than the target air-fuel ratio (when the air-fuel ratio difference ⁇ ABF is negative).
  • a line segment Tul indicated by points A and B indicates the engine torque upper limit value in the compression self-ignition combustion mode region in the initial setting.
  • a line segment nTul indicated by the points A ′ and B ′ indicates a new area upper limit value determined based on the area upper limit correction amount ⁇ Tul and the area upper limit value Tul. Since the air-fuel ratio difference ⁇ ABF is negative in the new region upper limit value nTul, the region upper limit value correction amount ⁇ Tul is added to the region upper limit value Tul, and the initial stage in which the compression self-ignition combustion region is surrounded by the new region upper limit value nTul Change to an area wider than the setting (area where engine torque is wide).
  • a spark ignition combustion manipulated variable calculator 22 is a device (electronically controlled throttle 2) provided in an engine for performing spark ignition combustion based on a target engine torque Te * and an engine rotational speed Ne. , Injector 3, spark plug 4, variable valve 5, etc.). Further, the compression self-ignition combustion operation amount calculation unit 23 calculates the target set value of the device for performing the compression self-ignition combustion based on the target engine torque Te * and the engine rotation speed Ne. Further, the combustion mode switching unit 24 is based on the combustion mode flag Fex, the calculation result from the spark ignition type combustion operation amount calculation unit 22, and the calculation result of the compression self-ignition type combustion operation amount calculation unit 23. In order to realize the combustion mode corresponding to the flag Fex, the target set value of the device is output to each device as OPtgt.
  • the engine 100 of FIG. 1 is operated in either the compression self-ignition combustion mode or the spark ignition combustion mode so that the required engine torque Te * is output.
  • the target operation amount OPtgt is the opening degree of the electronically controlled throttle 2 (throttle opening degree), the fuel injection pulse width to the injector 3, the fuel injection timing, and the spark plug 4 that are operated when the engine 100 is subjected to combustion control. Ignition timing, intake valve 5a opening timing and operating period, and exhaust valve 5b opening / closing timing.
  • These target operation amounts OPtgt are output to the corresponding electronic throttle drive circuit 20f, injector drive circuit 20g, ignition output circuit 20h, and variable valve drive circuit 20j, respectively, shown in FIG.
  • the electronic control throttle 2, the injector 3, the spark plug 4, and the variable valve 5 are controlled, whereby the combustion control of the engine 100 is performed.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the entire contents of control by the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flowchart showing details of S100 (combustion mode switching determination process) in FIG.
  • FIG. 11 is a flowchart showing details of S110 (combustion mode switching process) in FIG.
  • FIG. 12 is a timing chart showing switching control from the compression self-ignition combustion mode to the spark ignition combustion mode among the control contents of the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a timing chart showing the operating state of the engine when switching control from the compression self-ignition combustion mode to the spark ignition combustion mode is performed by the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention. It is.
  • step S110 the spark ignition type combustion manipulated variable calculation unit 22 in FIG. 3 performs target ignition in the spark ignition type combustion based on the target engine torque Te * and the engine rotational speed Ne that are the current operating state.
  • the target operation amount of each device for generating torque is calculated, and the process proceeds to step S120.
  • step 120 the compression self-ignition combustion operation amount calculator 23 in FIG. 3 performs the target engine torque in the compression self-ignition combustion based on the target engine torque Te * and the engine rotational speed Ne that are the current operating state.
  • the target operation amount of each device for generating is calculated, and the process proceeds to step S130.
  • step S130 the combustion mode switching unit 24 in FIG. 3 sets an operation amount suitable for the selected combustion mode in order to implement the combustion mode according to the combustion mode switching flag Fex that is the result of step S100. Thereby, the engine 100 can perform the combustion control according to the current operation state. Details of step S130 will be described later with reference to FIG.
  • step S101 the combustion mode switching determination unit 21 in FIG. 3 performs the compression self-ignition in the initial setting based on the map shown in FIG. 5 corresponding to the operating state determined by the required engine torque Te * and the engine speed Ne.
  • the engine torque upper limit value Tul in the equation combustion region is calculated, and the process proceeds to step S102.
  • step S102 the combustion mode switching determination unit 21 performs compression self-ignition combustion at a predetermined setting based on the map shown in FIG. 6 corresponding to the operating state determined by the required engine torque Te * and the engine speed Ne.
  • the target air-fuel ratio ABFtgt at the time is calculated, and the process proceeds to step S103.
  • step S103 the combustion mode switching determination unit 21 calculates ⁇ ABF obtained by subtracting the measured air-fuel ratio ABFact that is the output signal of the air-fuel ratio sensor 9 from the target air-fuel ratio ABFtgt calculated in step S102, and the process proceeds to step S104.
  • step S104 the combustion mode switching determination unit 21 calculates a region upper limit correction amount ⁇ Tul, which is a correction amount of the engine torque upper limit value in the compression self-ignition combustion region, based on ⁇ ABF calculated in step S103, and step S105. Proceed to
  • step S105 the combustion mode switching determination unit 21 subtracts the region upper limit correction amount ⁇ Tul calculated in step S104 from the region upper limit value Tul calculated in step S101 to obtain a new region upper limit value nTul in the current operating state. Calculate and proceed to step S106.
  • step S106 the combustion mode switching determination unit 21 determines that the current engine rotation speed Ne is the lower limit value of the engine rotation speed in the compression self-ignition combustion area based on the map for determining the compression self-ignition combustion area shown in FIG. If it is greater than a certain Ne_A and less than or equal to Ne_B, which is the upper limit value of the engine speed in the compression self-ignition combustion region, it is determined that the compression self-ignition combustion region can be implemented, and the process proceeds to step S107. If the current engine speed Ne is greater than or equal to Ne_A and less than or equal to Ne_B, it is determined that the compression self-ignition combustion region cannot be performed, and the process proceeds to step S109 to perform spark ignition combustion. .
  • step S107 when the target engine torque Te * is equal to or less than the new region upper limit value nTul calculated in step S105, the combustion mode switching determination unit 21 determines that compression self-ignition combustion can be performed, and compression self-ignition. The process proceeds to step S108 in order to perform the type combustion. If the target engine torque Te * is equal to or greater than the new region upper limit value nTul, it is determined that spark ignition combustion needs to be performed, and the process proceeds to step S109.
  • the process proceeds to step S133 in order to execute the compression self-ignition combustion.
  • the process proceeds to step S135 in order to execute spark ignition combustion.
  • step S133 the combustion mode switching unit 24 uses the compression self-ignition combustion operation amount calculated by the compression self-ignition combustion operation amount calculation unit 23 of FIG. 3 as a target operation in order to execute compression self-ignition combustion.
  • the quantity OPtgt is set to end a series of operations.
  • step S135 the combustion mode switching unit 24 sets the spark ignition type combustion operation amount calculated by the spark ignition type combustion operation amount calculating unit 22 of FIG. 3 to the target operation amount OPtgt to execute the spark ignition type combustion. Set to finish a series of operations.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the operation in the compression self-ignition combustion mode when the switching control between the spark ignition combustion mode and the compression self-ignition combustion mode by the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention is not applied.
  • the timing chart in case a fuel ratio becomes richer than an initial setting value is shown.
  • FIG. 12 the horizontal axis indicates time.
  • the vertical axis in FIG. 12A represents the engine torque Te.
  • the engine torque increases toward the top of the figure.
  • the vertical axis in FIG. 12B indicates the engine rotation speed Ne.
  • the engine speed increases toward the top of the figure.
  • FIG. 12C shows the air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio becomes leaner upward in the figure.
  • FIG. 12D shows a combustion mode flag.
  • the solid line in FIG. 12A indicates the target engine torque Te *
  • the broken line indicates the generated engine torque Te
  • the dotted line indicates the initial set value of the region upper limit value in the compression self-ignition combustion region shown in FIG. Tul is shown.
  • the dotted lines Ne_A and Ne_B in FIG. 12B indicate the lower limit value and the upper limit value of the engine speed at which compression self-ignition combustion can be performed.
  • the solid line in FIG. 12C shows the measured air-fuel ratio ABFact which is the output signal of the air-fuel ratio sensor 9, and the broken line shows the initial set value ABFtgt of the target air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode as shown in the map of FIG.
  • the dotted line indicates the air-fuel ratio in the vicinity of the stoichiometry set in the spark ignition combustion mode.
  • time t1 indicates the time when the target engine torque Te * becomes equal to or less than the region upper limit value Tul.
  • time t2 indicates the time when the target engine torque Te * starts increasing.
  • time t3 indicates the time when the measured air-fuel ratio ABFact becomes richer than the stoichiometric vicinity.
  • time t4 indicates the time when the target engine torque Te * is equal to or greater than the region upper limit value Tul.
  • the compression self-ignition combustion mode is entered.
  • the combustion mode flag Fex is changed from 0 to 1.
  • the compression self-ignition combustion mode is executed after time t1, but the air-fuel ratio ABFact becomes richer than the target air-fuel ratio ABFtgt. Therefore, if the increase in the target engine torque Te * is continued after time t2, the time t3 is reached. As a result, the air-fuel ratio ABFact becomes richer than that near the stoichiometric range.
  • FIG. 13 shows the air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode when switching control between the spark ignition combustion mode and the compression self-ignition combustion mode by the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention is applied. Shows a timing chart in the case where is enriched from the initial setting value.
  • FIG. 13 the horizontal axis indicates time.
  • shaft of FIG. 13 (A) has shown the engine torque Te.
  • the engine torque increases toward the top of the figure.
  • the vertical axis in FIG. 13B indicates the engine rotation speed Ne.
  • the engine speed increases toward the top of the figure.
  • FIG. 13C shows the air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio becomes leaner upward in the figure.
  • FIG. 13D shows a combustion mode flag.
  • FIG. 13E shows a region upper limit correction amount ⁇ Tul that is an amount by which the region upper limit value Tul in the engine torque direction of the compression self-ignition combustion region is changed according to the air-fuel ratio.
  • the region correction amount ⁇ Tul increases toward the top of the figure.
  • the solid line in FIG. 13A indicates the target engine torque Te *
  • the broken line indicates the generated engine torque Te
  • the dotted line indicates the initial set value of the region upper limit value of the compression self-ignition combustion region illustrated in FIG. 5.
  • the thick line indicates a new area upper limit value nTul obtained by subtracting the area upper limit correction amount ⁇ Tul from the area upper limit value Tul.
  • Ne_A and Ne_B which are dotted lines in FIG. 13B, indicate a lower limit value and an upper limit value of the engine speed at which compression self-ignition combustion can be performed, respectively.
  • 13C shows the measured air-fuel ratio ABFact which is the output signal of the air-fuel ratio sensor 9, and the broken line shows the initial set value ABFtgt of the target air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode as shown in the map of FIG.
  • the dotted line indicates the air-fuel ratio in the vicinity of the stoichiometry set in the spark ignition combustion mode.
  • time ta1 indicates the time when the target engine torque Te * is equal to or less than the region upper limit value Tul.
  • ⁇ ABF which is the difference between the target air-fuel ratio ABFtgt calculated in FIG. 13C and the measured air-fuel ratio AFBact, is calculated, and the region upper limit value is calculated from Tul to the new region.
  • the time when the value is changed to the upper limit value nTul is shown.
  • time ta3 indicates the time when the target engine torque Te * starts to increase. In the horizontal axis of FIG.
  • time ta4 is the time when the target engine torque Te * is equal to or greater than the new region upper limit value nTul in FIG. 13A, and the measured air-fuel ratio ABFact is stoichiometric in FIG. The time when it was close is shown.
  • time ta5 indicates the time when the target engine torque Te * is equal to or greater than the region upper limit value Tul.
  • the compression self-ignition type combustion mode In order to switch the combustion mode, the combustion mode flag Fex is changed from 0 to 1. Thereafter, after time ta1, the compression self-ignition combustion mode is executed. At this time, since the measured air-fuel ratio ABFact is detected to be richer than the target air-fuel ratio ABFtgt, the air-fuel ratio difference ⁇ ABF is calculated at time ta2, and the region upper limit correction amount ⁇ Tul is calculated based on ⁇ ABF.
  • the region upper limit value is changed from Tul to the new region upper limit value nTul (Tul ⁇ nTul).
  • the air-fuel ratio ABFact becomes richer.
  • the combustion mode flag Fex is used to quickly switch the combustion mode from the compression self-ignition combustion mode to the spark ignition combustion mode. Is changed from 1 to 0.
  • the air-fuel ratio ABFact is appropriately controlled, and after the time ta4, the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio in the spark ignition combustion mode is maintained.
  • the control device for the compression self-ignition internal combustion engine which is an embodiment of the present invention.
  • the region upper limit value of the compression self-ignition combustion region By appropriately changing the region upper limit value of the compression self-ignition combustion region, the occurrence of misfire can be prevented by preventing the air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode from becoming richer than the stoichiometric vicinity, It becomes possible to ensure the drivability of the compression self-ignition internal combustion engine.
  • the specific operation when the air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode is richer than the default target air-fuel ratio by the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention is as follows. It is not limited and may be as follows. Specifically, in FIG. 13, the region upper limit correction amount ⁇ Tul is not calculated from the air-fuel ratio difference ⁇ ABF calculated at time ta2, but at time ta5 from the increasing tendency of the target engine torque Te * at time ta3.
  • the target engine torque Te * is equal to or greater than the initial region upper limit value Tul, and the combustion mode is compressed by the self-igniting combustion mode at a time advanced from the time ta5 by the time ⁇ ta based on the previously calculated ⁇ ABF. It may be determined that it is necessary to switch to the spark ignition combustion mode, and the combustion mode flag Fex may be switched from 1 to 0 at time ta4.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of the empty state in the compression self-ignition combustion mode when the switching control between the spark ignition combustion mode and the compression self-ignition combustion mode by the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention is not applied. A timing chart when the fuel ratio becomes leaner than the initial set value is shown.
  • FIG. 14 the horizontal axis represents time.
  • the vertical axis in FIG. 14A represents the engine torque Te.
  • the engine torque increases toward the top of the figure.
  • shaft of FIG.14 (B) has shown engine rotational speed Ne.
  • the engine speed increases toward the top of the figure.
  • FIG. 14C shows the air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio becomes leaner upward in the figure.
  • FIG. 14D shows a combustion mode flag.
  • the solid line in FIG. 14 (A) indicates the target engine torque Te *
  • the broken line indicates the generated engine torque Te
  • the dotted line indicates the initial set value of the region upper limit value of the compression self-ignition combustion region shown in FIG. Tul is shown.
  • the dotted lines Ne_A and Ne_B in FIG. 14B indicate the lower limit value and the upper limit value of the engine rotation speed at which compression self-ignition combustion can be performed, respectively.
  • the solid line in FIG. 14C shows the measured air-fuel ratio ABFact which is the output signal of the air-fuel ratio sensor 9, and the broken line shows the initial set value ABFtgt of the target air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode as shown in the map of FIG.
  • the dotted line indicates the air-fuel ratio in the vicinity of the stoichiometry set in the spark ignition combustion mode.
  • time tb1 indicates the time when the target engine torque Te * becomes equal to or less than the region upper limit value Tul.
  • time tb2 indicates the time when the target engine torque Te * starts increasing.
  • time tb3 indicates the time when the target engine torque Te * is equal to or greater than the initial region upper limit value Tul and the combustion mode flag is changed from 1 to 0.
  • time tb1 indicates the time when the target engine torque Te * becomes equal to or less than the region upper limit value Tul.
  • time tb2 indicates the time when the target engine torque Te * starts increasing.
  • time tb3 indicates the time when the target engine torque Te * is equal to or greater than the initial region upper limit value Tul and the combustion mode flag is changed from 1 to 0.
  • the compression self-ignition combustion mode is entered.
  • the combustion mode flag Fex is changed from 0 to 1. After time tb1, the compression self-ignition combustion mode is executed.
  • the air-fuel ratio ABFact becomes leaner than the target air-fuel ratio ABFtgt, if the target engine torque Te * continues to increase after time tb2, the air-fuel ratio ABFact Since the target engine torque Te * becomes equal to or greater than the initial region upper limit value Tul at time tb3 when the engine becomes leaner than the vicinity of the stoichiometric range, the compression self-ignition combustion mode is also applied to the subsequent increase in the target engine torque Te *. In spite of being able to continue, the combustion mode flag Fex is changed from 1 to 0 in order to switch the combustion mode to the spark ignition combustion mode. For this reason, there is a case where the fuel consumption reduction potential by implementing the compression self-ignition combustion mode in the period from time tb3 to time tb4 cannot be effectively utilized.
  • FIG. 15 shows the air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode when switching control between the spark ignition combustion mode and the compression self-ignition combustion mode is applied by the control device for the compression self-ignition internal combustion engine according to the embodiment of the present invention. Shows a timing chart in the case where becomes leaner than the initial setting value.
  • FIG. 15 the horizontal axis represents time.
  • the vertical axis in FIG. 15A represents the engine torque Te.
  • the engine torque increases toward the top of the figure.
  • the vertical axis in FIG. 15B indicates the engine rotation speed Ne.
  • the engine speed increases toward the top of the figure.
  • FIG. 15C shows the air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio becomes leaner upward in the figure.
  • FIG. 15D shows a combustion mode flag.
  • region upper limit correction amount ⁇ Tul that is an amount by which the region upper limit value Tul in the engine torque direction of the compression self-ignition combustion region is changed according to the air-fuel ratio.
  • the region correction amount ⁇ Tul increases toward the top of the figure.
  • the solid line in FIG. 15A indicates the target engine torque Te *
  • the broken line indicates the generated engine torque Te
  • the dotted line indicates the initial set value of the region upper limit value of the compression self-ignition combustion region shown in FIG.
  • the thick line indicates a new area upper limit value nTul obtained by subtracting the area upper limit correction amount ⁇ Tul from the area upper limit value Tul.
  • Ne_A and Ne_B which are dotted lines in FIG. 15B, indicate a lower limit value and an upper limit value of the engine speed at which compression self-ignition combustion can be performed, respectively.
  • 15C shows the measured air-fuel ratio ABFact which is an output signal of the air-fuel ratio sensor 9, and the broken line shows the initial set value ABFtgt of the target air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode as shown in the map of FIG.
  • the dotted line indicates the air-fuel ratio in the vicinity of the stoichiometry set in the spark ignition combustion mode.
  • time tc1 indicates the time when the target engine torque Te * becomes equal to or less than the region upper limit value Tul.
  • ⁇ ABF which is the difference between the target air-fuel ratio ABFtgt calculated in FIG. 15C and the measured air-fuel ratio AFBact, is calculated, and the region upper limit value is calculated from Tul to the new region.
  • the time when the value is changed to the upper limit value nTul is shown.
  • time tc3 indicates the time when the target engine torque Te * starts to increase. In the horizontal axis of FIG.
  • time tc4 is the time when the target engine torque Te * is equal to or greater than the new region upper limit value Tul in FIG. 15A, and the initial target air-fuel ratio in FIG. It shows the time when ABFact is near the stoichiometric range.
  • time ta5 is the time when the target engine torque Te * is equal to or greater than the new region upper limit value nTul, and indicates the time when the measured air-fuel ratio ABFact is near the stoichiometric.
  • the compression self-ignition combustion mode In order to switch the combustion mode, the combustion mode flag Fex is changed from 0 to 1. Thereafter, after time tc1, the compression self-ignition combustion mode is executed. At this time, since the measured air-fuel ratio ABFact is detected to be leaner than the target air-fuel ratio ABFtgt, the air-fuel ratio difference ⁇ ABF is calculated at time tc2, and the region upper limit correction amount ⁇ Tul is calculated based on ⁇ ABF.
  • the region upper limit value is changed from Tul to the new region upper limit value nTul (Tul> nTul).
  • the air-fuel ratio ABFact becomes leaner.
  • the target engine torque Te * becomes equal to or greater than the initial region upper limit value Tul at time tc4.
  • the measured air-fuel ratio ABFact changes in the rich direction as the target engine torque Te * increases.
  • the combustion mode flag Fex is changed from 1 to 0.
  • the measured air-fuel ratio ABFact in the compression self-ignition combustion mode is leaner than the initially set target air-fuel ratio ABFtgt by strengthening the control device of the compression self-ignition internal combustion engine which is an embodiment of the present invention.
  • the upper limit value of the compression self-ignition combustion mode in the direction of increasing the engine torque, the engine torque that can be executed in the compression self-ignition combustion mode is maintained even if the target engine torque increases.
  • the fuel efficiency potential of the compression self-ignition combustion mode can be effectively utilized to achieve further fuel efficiency reduction.
  • the region upper limit correction amount ⁇ Tul is not calculated from the air-fuel ratio difference ⁇ ABF calculated at time tc2, but at time tc4 from the increasing tendency of the target engine torque Te * at time tc3.
  • the target engine torque Te * is equal to or greater than the initially set region upper limit value Tul, and the combustion mode is changed from the compression self-ignition combustion mode at a time delayed by time ⁇ tc from time tc4 based on ⁇ ABF previously calculated. It may be determined that it is possible to switch to the spark ignition combustion mode, and the combustion mode flag Fex may be switched from 1 to 0 at time tc5.
  • the air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode is based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 9 provided at an appropriate position of the exhaust pipe 8, but the air flow sensor 1 or FIG. Is not specified, but a sensor that measures the pressure in the intake pipe, a sensor that measures the temperature of the amount of air flowing into the cylinder, a sensor that measures atmospheric pressure, a sensor that measures the engine temperature, or Alternatively, the estimation may be based on the output signal of a sensor that measures the flow rate of fuel passing through the injector 3 or a sensor that measures the pressure applied to the fuel to inject the fuel from the injector 3.
  • the present invention by appropriately switching the combustion mode according to the air-fuel ratio in the compression self-ignition combustion mode, the operability such as misfire is deteriorated due to the air-fuel ratio becoming rich.
  • the fuel efficiency potential can be effectively utilized when the air-fuel ratio is lean.
  • Air-fuel ratio sensor 10: three-way catalyst, 11: crankshaft, 12: crank angle sensor, 13: piston, 20: ECU, 20a: input circuit, 20b: input / output port, 20c: RAM, 20d: ROM, 20e : CPU, 20f: Electronic throttle drive circuit, 20g: Injector drive circuit, 20h: Ignition output circuit, 20j: Variable valve drive circuit, 21: Combustion mode switching determination unit, 21a: Region upper limit value calculation unit, 21b: Target air-fuel ratio Calculation unit, 21c, 21e: subtraction unit, 21d: region upper limit correction amount calculation unit, 21f: combustion mode switching unit, 22: operation for spark ignition type combustion Calculation unit, 23: HCCI combustion-use operating quantities calculation unit, 24: combustion mode switching unit, 100: engine

Abstract

 圧縮自己着火式燃焼時に空燃比の変化があった場合の、失火によるトルク変動を低減し、燃費削減ポテンシャルを有効活用可能な圧縮自己着火式内燃機関の制御装置および制御方法を提供することにある。エンジンの運転状態に応じて、燃焼モードとして、点火プラグを用いる火花点火式燃焼モードと、ピストンの上昇に伴う燃焼室の圧力上昇を利用して燃料を燃焼させる圧縮自己着火式燃焼モードと、を選択的に設定するとともに、圧縮自己着火式燃焼モードにおける空燃比がリッチの場合には圧縮自己着火式燃焼領域の領域上限値を低エンジントルク側へと変更し、空燃比がリーンの場合には領域上限値を高エンジントルク側へと変更する。

Description

圧縮自己着火式内燃機関の制御装置
 本発明は、圧縮自己着火式内燃機関の制御装置に係り、特に、火花点火式燃焼と圧縮自己着火式燃焼との燃焼モードの切替えに好適な圧縮自己着火式内燃機関の制御装置に関する。
 自動車等に使用される内燃機関(エンジン)において、燃費性能の向上と排気性能との向上を両立するものとして、混合気を圧縮して自己着火燃焼(圧縮自己着火式燃焼)させる圧縮自己着火式ガソリンエンジン(以下、圧縮自己着火エンジン)が注目されている。圧縮自己着火エンジンは、点火プラグの火花で混合気を着火,燃焼させる火花点火式燃焼に比べて、高圧縮比による高効率化,ポンプ損失低減、および急速燃焼による冷却損失の低減などによって燃料消費量を低減し、また、混合気の低温燃焼によって排出ガス中のNOx濃度を低減するため、燃費性能と排気性能の両立が実現可能である。
 圧縮自己着火式燃焼を実現する手段の1つとして、EGRの導入が挙げられる。火花点火式燃焼は空燃比が比較的リッチ側であり、EGR率が比較的低い領域にて実施可能であるのに対して、上記手段を適用した場合の圧縮自己着火式燃焼は、空燃比が比較的リーンであり、内部EGR率が比較的高い領域で実施可能である。また、それぞれの領域間にはどちらの燃焼も不安定となる燃焼不安定領域が存在する。なお、EGRの導入方法としては、排気行程において吸気バルブおよび排気バルブの双方が閉じている期間である負のオーバーラップ期間を設けることでシリンダ内に排出ガスを残留させる方法(内部EGR)、または、吸気バルブ上流に排気管からのバイパスを設けることで新気と一緒に排出ガスを吸入する方法(外部EGR)、または、吸気行程にて排気バルブを開くことで排出ガスを再吸入する方法(排気再吸入)が用いられる。
 上記のような圧縮自己着火式燃焼の方法を適用した場合、シリンダ内に大量の排出ガスを導入することから、新気量が限られるため、過給しない場合には発生可能なエンジントルクが低負荷側に限られる。また、吸気,圧縮,膨張,排出といった行程の中で、燃料が化学反応する有限の時間を確保する必要があることから、エンジン回転速度も低回転速度側に限られることが知られている。
 そのため、圧縮自己着火エンジンを自動車に適用する際には、火花点火式燃焼と圧縮自己着火式燃焼の双方を実施し、それらの燃焼を切替えることでドライバが要求するエンジントルクを実現することが提案されている。
 圧縮自己着火式燃焼は火花点火式燃焼と比較して、シリンダ内の空気量と燃料量の質量比である空燃比がよりリーン(燃料量が少ない)な雰囲気においても燃焼可能である。そのため、燃費低減,NOx排出量の低減を狙って、圧縮自己着火式燃焼では空燃比をリーンに設定する。これはスロットル開度を全開として空気量をシリンダ内に多量に取り込むことで実現する。ただし、自然吸気エンジンにおいては前述のとおり新気量が限られるため、圧縮自己着火式燃焼領域の空燃比はエンジントルクが増大するにつれて、リッチ(燃料が多い)へと変化する。特に、空燃比が過剰にリッチとなる場合には、シリンダ内の酸素濃度低下および混合気温度の低下によって、燃料の酸化反応が進行困難となり、燃焼安定性が低下し、最終的には失火する場合がある。以上のことから、圧縮自己着火式燃焼領域での高負荷側の空燃比はストイキ近傍に設定されることが多い。
 上述の通り、圧縮自己着火式燃焼では、スロットルを全開として空気量を多量にシリンダ内に導入し、空燃比をリーンとするが、導入可能な空気量は諸条件により変化する。その条件としては、大気圧や気温といった周辺環境,シリンダのガス交換を実施する吸気および排気バルブの製造ばらつきや劣化といった動作状態、および、燃料を噴射するインジェクタの動作状態などが挙げられる。
 圧縮自己着火式燃焼にて高エンジントルクを発生しようとした際に、これらの諸条件の変化によって空燃比がリッチ化した場合には、当初予定した空燃比よりも過剰にリッチ化することで、圧縮自己着火式燃焼を継続不可能な状態に陥り、失火が発生する。また、空燃比がリーン化した場合には、当初予定された空燃比よりもリーンな状態で燃焼を実施することが可能であるため、圧縮自己着火式燃焼領域を高エンジントルク側へ拡大可能であり、更なる燃費低減が可能である。しかしながら、初期設定での圧縮自己着火式燃焼領域を維持すると、その燃費低減ポテンシャルを有効に活用することができない。
 以上のことから、圧縮自己着火エンジンのような2つの燃焼形態を切替えるエンジンにおいて運転性の確保と燃費低減を満足するためには、圧縮自己着火式燃焼時の空燃比に応じて圧縮自己着火式燃焼領域を変更しなければならないという問題があった。
 この問題を解決する方法として、空燃比に基づいて燃焼領域を変更する技術が知られている(例えば、特許文献1)。特許文献1は、ディーゼルエンジンにおいて、比較的に低いエンジントルクにて実施する燃焼領域での燃焼と、高エンジントルクにて実施する第2の燃焼領域での燃焼とを切替える技術に関するものである。具体的には、燃焼領域で運転中の空燃比に基づき、空燃比がリッチの場合は燃焼領域のエンジントルク上限値を高エンジントルク側へ変更する。また、空燃比がリーンの場合には燃焼領域のエンジントルク上限値を低エンジントルク側へ変更するものである。
特開2000-110670号公報
 上記特許文献1で開示された技術はディーゼルエンジンには有効であるが、圧縮自己着火エンジンに適用した場合には、運転性と燃費低減を満足することができない。具体的には、圧縮自己着火式燃焼時の空燃比が初期設定よりもリッチである場合に圧縮自己着火式燃焼領域の上限値を高エンジントルク側へ変更する。この際、空燃比がリッチであることから当初の状態よりも新気量が少ないにも関わらず、エンジントルクを高めるに従って燃料量を増量することとなり、新たに設定した圧縮自己着火式燃焼領域近傍での空燃比が過剰にリッチ化してしまい、失火が発生するという問題があった。また、圧縮自己着火式燃焼時の空燃比が初期設定よりもリーンである場合に圧縮自己着火式燃焼領域の上限値を低エンジントルク側へ変更した場合には、該上限値での空燃比がリーンであるにも関わらず、圧縮自己着火式燃焼の実施を制限することとなり、燃費低減ポテンシャルを有効活用することができないといった問題があった。
 上記問題に鑑み、本発明の目的は、圧縮自己着火エンジンにおいて、エンジンの周辺環境および搭載装置の動作状態が変化したことによって空燃比が変化した場合においても、運転性と低燃費を満足することができる制御手法を提供することである。
 上記目的を達成するために、本発明に係る圧縮自己着火式内燃機関の制御装置は、燃焼室へ燃料を噴射するインジェクタと、前記燃焼室に噴射された燃料に点火するための点火装置と、前記燃焼室の一部を形成するシリンダの吸気側に設けられ、作動タイミングを制御可能な吸気弁と、前記シリンダの排気側に設けられ、作動タイミングを制御可能な排気弁と、前記燃焼室に流入する空気量を制御可能なスロットルを有する圧縮自己着火式内燃機関に用いられ、前記点火装置によって前記インジェクタから噴霧された燃料に点火し、該燃料を燃焼させて前記内燃機関を作動させる火花点火式燃焼モードと、前記燃焼室を形成するピストンの上昇に伴う、前記シリンダ内の圧力上昇によって前記インジェクタから噴射された燃料を燃焼させて前記内燃機関を作動させる圧縮自己着火式燃焼モードとを有する圧縮自己着火式内燃機関の制御装置であって、圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の前記燃焼室内に導入した空気量と燃料量との質量比である空燃比が所定値よりもリッチである際には、前記内燃機関の作動状態であるトルクと機関回転速度にて決定される前記圧縮自己着火式燃焼モードを安定的に実施可能な圧縮自己着火式燃焼領域のトルクの上限値を、該上限値が減少する方向に変更することを特徴とする。
 また、該制御装置は、前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の前記空燃比が所定値よりもリーンである際には、前記圧縮自己着火式燃焼領域のトルクの上限値を、該上限値が増加する方向に変更することを特徴とする。
 別の形態として、本発明に係る圧縮自己着火式内燃機関の制御装置は、前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の前記空燃比が前記所定値よりもリッチであり、前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中に、前記圧縮自己着火式燃焼領域の上限値以上に前記トルクを増加させる要求があった際に、前記トルクを増加させる要求がある以前の前記トルクを基準として、前記圧縮自己着火式燃焼モードにて前記トルクを増加させる量を、前記空燃比が前記所定値である場合の増加量よりも減量して、前記圧縮自己着火式燃焼モードにて前記トルクを増加した後、前記火花点火式燃焼モードにて前記トルクを増加することを特徴とする。
 また、該制御装置は、前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の前記空燃比が所定値よりもリーンであり、前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中に、前記圧縮自己着火式燃焼領域の上限値以上に前記トルクを増加させる要求があった際に、前記トルクを増加させる要求がある以前の前記トルクを基準として、前記圧縮自己着火式燃焼モードにて前記トルクを増加させる量を、前記空燃比が所定値である場合の増加量よりも増量して、前記圧縮自己着火式燃焼モードにて前記トルクを増加した後、前記火花点火式燃焼モードにて前記トルクを増加することを特徴とする。
 更に別の形態として、本発明に係る圧縮自己着火式内燃機関の制御装置は、前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の前記空燃比が所定値よりもリッチであり、前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中に、前記圧縮自己着火式燃焼領域の上限値以上に前記トルクを増加させる要求があった際に、前記トルクを増加させる要求がある以前に前記圧縮自己着火式燃焼モードを継続する期間を基準として、前記圧縮自己着火式燃焼モードにて前記トルクを増加させる期間を短縮して、前記圧縮自己着火式燃焼モードにて前記トルクを増加した後、前記火花点火式燃焼モードにて前記トルクを増加することを特徴とする。
 また、該制御装置は、前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の前記空燃比が所定値よりもリーンであり、前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中に、前記圧縮自己着火式燃焼領域の上限値以上に前記トルクを増加させる要求があった際に、前記トルクを増加させる要求がある以前に前記圧縮自己着火式燃焼モードを継続する期間を基準として、前記圧縮自己着火式燃焼モードにて前記トルクを増加させる期間を延長して、前記圧縮自己着火式燃焼モードにて前記トルクを増加した後、前記火花点火式燃焼モードにて前記トルクを増加することを特徴とする。
 また、本発明に係る圧縮自己着火式内燃機関の制御装置において、圧縮自己着火式燃焼領域の上限値を変更するために使用される前記空燃比は、前記排気弁の下流に設けられた空燃比を検出するセンサの出力信号に基づいて決定することを特徴とする。
 別の形態としては、前記空燃比は、前記内燃機関に設けられた、吸気管内を通過する空気流量を計測するセンサ、または、吸気管内の圧力を計測するセンサ、または、前記燃焼室に流入する空気量の温度を計測するセンサ、または、大気圧を計測するセンサ、または、前記内燃機関の機関温度を計測するセンサ、または、前記インジェクタを通過する前記燃料の流量を計測するセンサ、または、前記インジェクタから前記燃料を噴射するために前記燃料に加えられる圧力を計測するセンサ、のいずれか一つの出力信号に基づいて決定することを特徴とする。
 本発明によれば、周辺環境の変化や、エンジンに搭載される装置の動作状態に変化が生じることで圧縮自己着火式燃焼での空燃比が変化した場合にも、失火を抑制して運転性を確保し、さらに圧縮自己着火式燃焼が持つ燃費低減ポテンシャルを活用することが可能となる。
本発明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。 本発明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。 本発明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。 本発明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判定の構成を示す制御ブロック図である。 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と、圧縮自己着火式燃焼領域のエンジントルク方向の上限値を示す説明図である。 圧縮自己着火式燃焼領域において、所定条件における圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比を示す説明図である。 本発明の実施形態において、圧縮自己着火式燃焼モード時の計測空燃比が初期設定の目標空燃比よりもリッチの際に、圧縮自己着火領域の領域上限値を低エンジントルク側へ変更する動作を示す説明図である。 本発明の実施形態において、圧縮自己着火式燃焼モード時の計測空燃比が初期設定の目標空燃比よりもリーンの際に、圧縮自己着火領域の領域上限値を高エンジントルク側へ変更する動作を示す説明図である。 本発明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全体を示すフローチャートである。 図9のS100(燃焼モード切替判定処理)の詳細を示すフローチャートである。 図9のS130(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。 本発明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適用しない場合に、圧縮自己着火式燃焼モード時の計測空燃比が初期設定の目標空燃比よりもリッチである場合の、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モード切替制御の内容を示すタイミングチャートである。 本発明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と圧縮自己着火式燃焼モードとの燃焼モード切替制御を実施した場合の中でも、圧縮自己着火式燃焼モード時の計測空燃比が初期設定の目標空燃比よりもリッチである場合の動作内容を示すタイミングチャートである。 本発明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適用しない場合に、圧縮自己着火式燃焼モード時の計測空燃比が初期設定の目標空燃比よりもリーンである場合の、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モード切替制御の内容を示すタイミングチャートである。 本発明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と圧縮自己着火式燃焼モードとの燃焼モード切替制御を実施した場合の中でも、圧縮自己着火式燃焼モード時の計測空燃比が初期設定の目標空燃比よりもリーンである場合の動作内容を示すタイミングチャートである。
 以下、図1~図15を用いて、本発明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。
 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が排気管8の適宜位置に備えられる。また、クランク軸11には、回転角度を算出するためのクランク角度センサ12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16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とクランク角センサ12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16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16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16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16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12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111,クランク角センサ12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。入出力ポート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。
 次に、図3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3は、本発明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、空燃比センサ9からの出力信号であるABFtgtに基づいて、後述する図5および図6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16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、クランク角センサ12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4を用いて、燃焼モード切替判定部21に関して説明する。図4は、図3の燃焼モード切替判定部21の構成を示す制御ブロック図である。燃焼モード切替判定部21は、領域上限値演算部21aと、目標空燃比演算部21bと、引算部21cと、領域上限値補正量演算部21dと、引算部21eと、燃焼モード切替部21fとを備えている。
 領域上限値演算部21aは例えば図5に示すマップに基づき、圧縮自己着火式燃焼モードが実施可能なエンジントルクTeの上限値Tulを演算する。
 ここで図5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5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、燃焼領域と、圧縮自己着火式燃焼モードを実施可能な目標エンジントルクTe*の上限値の説明図である。図5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5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5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。
 また、図5には、圧縮自己着火式燃焼モードが実施可能な領域における、エンジントルクTeの上限値Tulを示している。上述の通り、内部EGR導入では新気量が限られることから、上限値Tulはエンジン回転速度Neに応じて決定される。図5に示す圧縮自己着火式燃焼モードを実施可能な領域とエンジントルクの上限値は、予め試験やシミュレーションにより決定するものであってもよいし、圧縮自己着火式燃焼を記述する数式モデルに基づくものであっても良い。
 目標空燃比演算部21bは例えば図6に示すマップに基づき、目標エンジントルクTe*とエンジン回転速度Neに応じて圧縮自己着火式燃焼モード時の目標空燃費ABFtgtを演算する。
 ここで図6を用いて、圧縮自己着火式燃焼モード時の目標空燃比について説明する。図6は、圧縮自己着火式燃焼モード時の目標エンジントルクTe*とエンジン回転速度Neで決定される運転条件における、所定状態での目標空燃比ABFtgtを示す説明図である。図6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。
 図5に示すとおり、圧縮自己着火式燃焼モードは低エンジントルク,低回転速度の運転条件に限られる。圧縮自己着火式燃焼モード時にはリーン燃焼を実施するために、電子制御スロットル2の開度を可能な限り大きくとり、シリンダ内に空気量を大量に導入する。このとき、圧縮自己着火式燃焼領域にて必要とされる燃料量は、エンジントルクTeが増加するに従って、かつ、エンジン回転速度が増加するに従って増加する。そのため、低エンジントルクかつ低エンジン回転速度では空燃比がリーンとなり、エンジントルクの増加およびエンジン回転速度の増加に伴い、燃料量が増加するに従って空燃比がリッチ化する。図6に記載した空燃比は所定条件での例であり、これに限るものではない。また、図6に示す目標空燃比ABFtgtは予め実験やシミュレーションにて決定するものであっても良いし、圧縮自己着火燃焼時の空燃比を記述する数式モデルに基づいて演算するものであっても良い。
 また、引算部21cは目標ABFtgtから空燃比センサ9の出力信号であるABFactを差し引き、空燃比の差分であるΔABFを演算する。
 領域上限値補正量演算部21dは空燃比の差分であるΔABFに基づき、圧縮自己着火式燃焼モードのエンジントルクの上限値Tulを補正するためのΔTulを演算する。例えば、空燃比の差分であるΔABFを演算した際の運転条件を実現するための、燃料噴射量を演算し、ΔABFと該燃料噴射量に基づいてΔABFに伴う空気量を演算後、該空気量に基づいて領域上限値補正量ΔTulを演算するものであっても良い。また、図6に示す圧縮自己着火式燃焼モード時の目標空燃比ABFtgtを示すマップに基づき、目標空燃比ABFtgtからΔABFtgtを減算し、図6の目標空燃比マップ上から現在のエンジン回転速度NeにおいてABFtgtからΔABFを減じた空燃比を検索し、一致した目標空燃比ABFtgtとなるエンジントルク1を演算し、領域上限値Tulからエンジントルクを減じた量をΔTulとするものであっても良い。また、領域上限値補正量演算部21dは上記に限るものではなく、圧縮自己着火式燃焼を記述する数式モデルに基づくものであっても良い。
 さらに、引算部21eでは、領域上限値演算部21aの出力である領域上限値演算部Tulから領域上限値補正量演算部21dの出力である領域上限値補正量ΔTulを減じ、現在の運転状態における圧縮自己着火式燃焼モードのエンジントルクTeの新規領域上限値nTulとして出力する。
 燃焼モード切替部21fは例えば図5に示す燃焼領域に基づいて、火花点火式燃焼モード実施時に圧縮自己着火式燃焼モードが実施可能な運転領域であれば、目標エンジントルクTe*とエンジン回転速度Neと新規領域上限値nTulに基づき、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切替を実施すべく、燃焼モードフラグFexをOFF(=0)からON(=1)へと変更する。また、圧縮自己着火式燃焼モード実施時には、目標エンジントルクTe*とエンジン回転速度Neと新規領域上限値nTulに基づき、目標エンジントルクTe*とエンジン回転速度で決定される運転条件が圧縮自己着火式燃焼領域外へと変更した場合には、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えるべく、燃焼モードフラグFexをON(=1)からOFF(=0)へと変更する。
 また、図7および図8を用いて、燃焼モード切替判定部21の具体的な演算を説明する。図7では、圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の前記燃焼室内に導入した空気量と燃料量との質量比である空燃比が所定値よりもリッチな場合には、前記圧縮自己着火式燃焼領域のトルクの上限値を、該上限値が減少する方向に変更(圧縮自己着火式燃焼領域の前記トルク方向の上限値をトルクが減少する方向に変更)している。具体的には、図7は運転条件xにおける空燃比センサ9の出力信号である計測空燃比ABFactが目標空燃比ABFtgtよりもリッチであった場合の燃焼モード切替判定部21の動作を示す説明図である。図7において、点Aと点Bにて示される線分Tulは初期設定における圧縮自己着火式燃焼モード領域のエンジントルク上限値を示す。また、点A′と点B′にて示される線分nTulは領域上限値補正量ΔTulと領域上限値Tulに基づいて決定される新規領域上限値を示す。新規領域上限値nTulは、空燃比の差分ΔABFが正(目標空燃比ABFtgtよりも計測空燃比ABFactがリッチ)である場合には領域上限値補正量ΔTulを領域上限値Tulから減算し、圧縮自己着火式燃焼領域を新規領域上限値nTulにて囲まれる初期設定よりも狭い領域(エンジントルクが低い領域)へと変更する。
 さらに、図8では、圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の前記空燃比が所定値よりもリーンである際には、前記圧縮自己着火式燃焼領域のトルクの上限値を、該上限値が増加する方向に変更(圧縮自己着火式燃焼領域の前記トルク方向の上限値をトルクが減少する方向に変更)している。具体的には、運転条件xにおける計測空燃比ABFactが目標空燃比よりもリーンである場合(空燃比の差分ΔABFが負となる場合)の燃焼モード切替判定部21の動作を示す説明図である。図8において、点Aと点Bにて示される線分Tulは初期設定における圧縮自己着火式燃焼モード領域のエンジントルク上限値を示す。また、点A′と点B′にて示される線分nTulは領域上限値補正量ΔTulと領域上限値Tulに基づいて決定される新規領域上限値を示す。新規領域上限値nTulは、空燃比の差分ΔABFが負であるため、領域上限値補正量ΔTulを領域上限値Tulに加算し、圧縮自己着火式燃焼領域を新規領域上限値nTulにて囲まれる初期設定よりも広い領域(エンジントルクが広い領域)へと変更する。
 図3において、火花点火式燃焼用操作量演算部22は、目標エンジントルクTe*とエンジン回転速度Neに基づいて、火花点火式燃焼を実施するためのエンジンに備えられたデバイス(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など)の目標設定値を演算する。また、圧縮自己着火式燃焼用操作量演算部23は、目標エンジントルクTe*とエンジン回転速度Neに基づいて、圧縮自己着火式燃焼を実施するための上記デバイスの目標設定値を演算する。さらに、燃焼モード切替部24は、燃焼モードフラグFexと、火花点火式燃焼用操作量演算部22からの演算結果と、圧縮自己着火式燃焼用操作量演算部23の演算結果に基づき、燃焼モードフラグFexに応じた燃焼モードを実現すべく、上記デバイスの目標設定値をOPtgtとして各デバイスに出力する。
 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、電子制御スロットル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9から図15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9は、本発明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10は、図9のS100(燃焼モード切替判定処理)の詳細を示すフローチャートである。図11は、図9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12は、本発明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13は、本発明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9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9のステップS100において、図3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。なお、ステップS100の詳細については、図10を用いて後述する。
 次に、ステップS110において、図3の火花点火式燃焼用操作量演算部22は、現在の運転状態である目標エンジントルクTe*とエンジン回転速度Neに基づいて、火花点火式燃焼にて目標エンジントルクを発生するための各デバイスの目標操作量を演算し、ステップS120に進む。
 ステップ120において、図3の圧縮自己着火式燃焼用操作量演算部23は、現在の運転状態である目標エンジントルクTe*とエンジン回転速度Neに基づいて、圧縮自己着火式燃焼にて目標エンジントルクを発生するための各デバイスの目標操作量を演算し、ステップS130へと進む。
 ステップS130において、図3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、現状の運転状態に応じた燃焼制御を行うことができる。なお、ステップS130の詳細については、図11を用いて後述する。
 次に、図10を用いて、図9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S101において、図3の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で決定される運転状態に応じた図5に示すマップに基づいて、初期設定での圧縮自己着火式燃焼領域のエンジントルク上限値Tulを演算し、ステップS102に進む。
 ステップS102において、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で決定される運転状態に応じた図6に示すマップに基づいて、所期設定での圧縮自己着火式燃焼時の目標空燃比ABFtgtを演算し、ステップS103に進む。
 ステップS103において、燃焼モード切替判定部21は、ステップS102にて演算した目標空燃比ABFtgtから空燃比センサ9の出力信号である計測空燃比ABFactを減算したΔABFを演算し、ステップS104に進む。
 ステップS104において、燃焼モード切替判定部21は、ステップS103にて演算したΔABFに基づき、圧縮自己着火式燃焼領域のエンジントルク上限値の補正量である領域上限値補正量ΔTulを演算し、ステップS105に進む。
 ステップS105において、燃焼モード切替判定部21は、ステップS101にて演算した領域上限値TulよりステップS104にて演算した領域上限値補正量ΔTulを減算し、現状の運転状態における新規領域上限値nTulを演算し、ステップS106に進む。
 ステップS106において、燃焼モード切替判定部21は、図5に示す圧縮自己着火式燃焼領域を決定するマップに基づき、現在のエンジン回転速度Neが圧縮自己着火式燃焼領域のエンジン回転速度の下限値であるNe_A以上、かつ、圧縮自己着火式燃焼領域のエンジン回転速度の上限値であるNe_B以下である場合には、圧縮自己着火式燃焼領域を実施可能と判断し、ステップS107に進む。また、現在のエンジン回転速度NeがNe_A以上、かつNe_B以下を満足しない場合には、圧縮自己着火式燃焼領域が実施不可能と判断し、火花点火式燃焼を実施すべく、ステップS109へと進む。
 ステップS107において、燃焼モード切替判定部21は目標エンジントルクTe*がステップS105にて演算した新規領域上限値nTul以下である場合には、圧縮自己着火式燃焼を実施可能と判断し、圧縮自己着火式燃焼を実施すべく、ステップS108に進む。また、目標エンジントルクTe*が新規領域上限値nTul以上である場合には、火花点火式燃焼を実施する必要があると判断し、ステップS109へと進む。
 ステップS108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可能と判断し、燃焼モードフラグFexにON(=1)をセットして、一連の処理を終了する。
 また、ステップS109において、燃焼モード切替判定部21は、火花点火式燃焼を実施可能と判断し、燃焼モードフラグFexにOFF(=0)をセットして、一連の処理を終了する。
 次に、図11を用いて、図9のS130(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S131において、図3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がON(=1)である場合は、圧縮自己着火式燃焼を実行するために、ステップS133へと進む。また、燃焼モード切替フラグFexがOFF(=0)である場合には、火花点火式燃焼を実行するために、ステップS135へと進む。
 ステップS133において、燃焼モード切替部24は、圧縮自己着火式燃焼を実行すべく、図3の圧縮自己着火式燃焼用操作量演算部23にて演算した圧縮自己着火式燃焼用操作量を目標操作量OPtgtにセットして一連の動作を終了する。
 ステップS135において、燃焼モード切替部24は、火花点火式燃焼を実行すべく、図3の火花点火式燃焼用操作量演算部22にて演算した火花点火式燃焼用操作量を目標操作量OPtgtにセットして一連の動作を終了する。
 次に、図12から図15を用いて、本発明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と圧縮自己着火式燃焼モードとの切替制御の具体的な内容について説明する。
 図12は本発明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と圧縮自己着火式燃焼モードとの切替制御を適用しない場合に、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比が初期設定値よりもリッチ化する場合のタイミングチャートを示す。
 図12において、横軸は時間を示している。図12(A)の縦軸は、エンジントルクTeを示している。図の上方に向かってエンジントルクは増加している。図12(B)の縦軸は、エンジン回転速度Neを示している。図の上方に向かってエンジン回転速度は増加している。図12(C)は空燃比を示している。図の上方に向かって空燃比はリーンとなる。図12(D)は燃焼モードフラグを示している。Fex=0は燃焼モードが火花点火式燃焼モードであることを示し、Fex=1は燃焼モードが圧縮自己着火式燃焼モードであることを示している。
 図12において、図12(A)の実線は目標エンジントルクTe*を示し、破線は発生するエンジントルクTeを示し、点線は図5に示す圧縮自己着火式燃焼領域の領域上限値の初期設定値であるTulを示している。図12(B)の点線のNe_AおよびNe_Bはそれぞれ、圧縮自己着火式燃焼が実施可能なエンジン回転速度の下限値および上限値を示している。図12(C)の実線は空燃比センサ9の出力信号である計測空燃比ABFactを示し、破線は図6のマップのように、圧縮自己着火式燃焼モードにおける目標空燃比の初期設定値ABFtgtを示し、点線は火花点火式燃焼モードにて設定されるストイキ近傍の空燃比を示している。
 図12の横軸において、時刻t1は目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以下となった時刻を示している。図12の横軸において、時刻t2は目標エンジントルクTe*が増加を開始した時刻を示している。図12の横軸において、時刻t3は計測空燃比ABFactがストイキ近傍よりもリッチとなった時刻を示している。図12の横軸において、時刻t4は目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以上となった時刻を示している。
 火花点火式燃焼モードを実施中に、時刻t1において目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以下となり、かつ、エンジン回転速度がNe_A以上かつNe_B以下である場合には、圧縮自己着火式燃焼モードへと燃焼モードを切替えるべく、燃焼モードフラグFexを0から1へと変更する。時刻t1以降では圧縮自己着火式燃焼モードが実行されるが、空燃比ABFactが目標空燃比ABFtgtよりもリッチとなるため、時刻t2以降にて目標エンジントルクTe*の増大を継続すると、時刻t3にて空燃比ABFactがストイキ近傍よりもリッチ化してしまう。本発明の制御装置を適用しない場合には、圧縮自己着火式燃焼を継続するため、前述の通り、圧縮自己着火式燃焼モードでは空燃比がストイキ近傍よりリッチ化した場合には燃焼不安定化し、失火が発生することで、時刻t3以降では目標エンジントルクTe*の増加に関わらず、エンジントルクTeが減少すると共に、エンジン回転速度Neが減少する。時刻t4にて目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以上となった場合には、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切替えるため、時刻t4以降では、エンジントルクTeを増加させることが可能であり、エンジン回転速度Neが増加する。以上のように、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比のリッチ化に応じて領域上限値を変更しない場合には、エンジントルクの変動が発生し、運転性能を確保することが困難となる。
 図13は本発明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燃焼モードと圧縮自己着火式燃焼モードとの切替制御を適用した場合に、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比が初期設定値よりもリッチ化する場合のタイミングチャートを示す。
 図13において、横軸は時間を示している。図13(A)の縦軸は、エンジントルクTeを示している。図の上方に向かってエンジントルクは増加している。図13(B)の縦軸は、エンジン回転速度Neを示している。図の上方に向かってエンジン回転速度は増加している。図13(C)は空燃比を示している。図の上方に向かって空燃比はリーンとなる。図13(D)は燃焼モードフラグを示している。Fex=0は燃焼モードが火花点火式燃焼モードであることを示し、Fex=1は燃焼モードが圧縮自己着火式燃焼モードであることを示している。図13(E)は圧縮自己着火式燃焼領域のエンジントルク方向の領域上限値Tulを空燃比に応じて変化させる量である領域上限値補正量ΔTulを示している。図上方に向かって領域補正量ΔTulは増加している。
 図13において、図13(A)の実線は目標エンジントルクTe*を示し、破線は発生するエンジントルクTeを示し、点線は図5に示す圧縮自己着火式燃焼領域の領域上限値の初期設定値であるTulを示し、太線は領域上限値Tulに領域上限値補正量ΔTulを減じた新規領域上限値nTulを示している。図13(B)の点線であるNe_AおよびNe_Bはそれぞれ、圧縮自己着火式燃焼が実施可能なエンジン回転速度の下限値および上限値を示している。図13(C)の実線は空燃比センサ9の出力信号である計測空燃比ABFactを示し、破線は図6のマップのように、圧縮自己着火式燃焼モードにおける目標空燃比の初期設定値ABFtgtを示し、点線は火花点火式燃焼モードにて設定されるストイキ近傍の空燃比を示している。
 図13の横軸において、時刻ta1は目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以下となった時刻を示している。図13の横軸において、時刻ta2は、図13(C)において演算した目標空燃比ABFtgtと計測空燃比AFBactとの差分であるΔABFを演算し、ΔABFに基づいて領域上限値をTulから新規領域上限値nTulへと変更した時刻を示している。図13の横軸において、時刻ta3は目標エンジントルクTe*が増加を開始した時刻を示している。図13の横軸において、時刻ta4は、図13(A)において、目標エンジントルクTe*が新規領域上限値nTul以上となった時刻、かつ、図13(C)において、計測空燃比ABFactがストイキ近傍となった時刻を示している。図13の横軸において、時刻ta5は目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以上となった時刻を示している。
 火花点火式燃焼モードを実施中に、時刻ta1において目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以下となり、かつ、エンジン回転速度NeがNe_A以上かつNe_B以下である場合には、圧縮自己着火式燃焼モードへと燃焼モードを切替えるべく、燃焼モードフラグFexを0から1へと変更する。その後、時刻ta1以降では圧縮自己着火式燃焼モードが実行される。このとき、計測空燃比ABFactが目標空燃比ABFtgtよりもリッチであると検出されるため、時刻ta2において、空燃比の差分ΔABFを演算し、ΔABFに基づいて領域上限値補正量ΔTulを演算した後、ΔTulに基づいて領域上限値をTulから新規領域上限値nTulへと変更する(Tul<nTul)。時刻ta3において目標エンジントルクTe*が増加を開始した後、空燃比ABFactがリッチ化していく。この際、時刻ta4において目標エンジントルクTe*が新規領域上限値nTul以上となった場合には速やかに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えるべく、燃焼モードフラグFexを1から0へと変更する。これにより空燃比ABFactが適切に制御され、時刻ta4以降には火花点火式燃焼モードの空燃比であるストイキ近傍を保持する。そのため、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比がストイキ近傍よりもリッチ化することを防止することが可能であるため、目標エンジントルクに対するエンジントルクの低下(失火)とエンジン回転速度の落ち込みを抑制することが可能であり、目標エンジントルクに応じたエンジントルクを発生することが可能となる。
 以上より、本発明の実施形態である圧縮自己着火式内燃機関の制御装置を適用することにより、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比が初期設定の目標空燃比よりもリッチ化した場合においても、圧縮自己着火式燃焼領域の領域上限値を適切に変更することにより、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比がストイキ近傍よりもリッチ化することを防止することで失火の発生を防止し、圧縮自己着火式内燃機関の運転性を確保することが可能となる。
 本発明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、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比が初期設定の目標空燃比よりもリッチであった場合の具体的動作は、これに限るものでなく、下記の通りであってもよい。具体的には、図13において、時刻ta2にて演算した空燃比の差分ΔABFから領域上限値補正量ΔTulを演算するものではなく、時刻ta3における目標エンジントルクTe*の増加傾向から時刻ta5にて目標エンジントルクTe*が初期設定の領域上限値Tul以上となることを推測し、先に演算したΔABFに基づいて時刻ta5から時間Δtaだけ早期化した時期にて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える必要があると判断し、時刻ta4において燃焼モードフラグFexを1から0へと切替えるものであっても良い。
 次に図14および図15を用いて、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比が初期設定の目標空燃比よりもリーン化した場合に関して説明する。
 図14は本発明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と圧縮自己着火式燃焼モードとの切替制御を適用しない場合に、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比が初期設定値よりもリーン化する場合のタイミングチャートを示す。
 図14において、横軸は時間を示している。図14(A)の縦軸は、エンジントルクTeを示している。図の上方に向かってエンジントルクは増加している。図14(B)の縦軸は、エンジン回転速度Neを示している。図の上方に向かってエンジン回転速度は増加している。図14(C)は空燃比を示している。図の上方に向かって空燃比はリーンとなる。図14(D)は燃焼モードフラグを示している。Fex=0は燃焼モードが火花点火式燃焼モードであることを示し、Fex=1は燃焼モードが圧縮自己着火式燃焼モードであることを示している。
 図14において、図14(A)の実線は目標エンジントルクTe*を示し、破線は発生するエンジントルクTeを示し、点線は図5に示す圧縮自己着火式燃焼領域の領域上限値の初期設定値であるTulを示している。図14(B)の点線のNe_AおよびNe_Bはそれぞれ、圧縮自己着火式燃焼が実施可能なエンジン回転速度の下限値および上限値を示している。図14(C)の実線は空燃比センサ9の出力信号である計測空燃比ABFactを示し、破線は図6のマップのように、圧縮自己着火式燃焼モードにおける目標空燃比の初期設定値ABFtgtを示し、点線は火花点火式燃焼モードにて設定されるストイキ近傍の空燃比を示している。
 図14の横軸において、時刻tb1は目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以下となった時刻を示している。図14の横軸において、時刻tb2は目標エンジントルクTe*が増加を開始した時刻を示している。図14の横軸において、時刻tb3は目標エンジントルクTe*が初期設定の領域上限値Tul以上となり、燃焼モードフラグが1から0へと変更した時刻を示している。図14の横軸において、時刻tb4は時刻tb3にて燃焼モードを火花点火式燃焼モードへと切替えずに圧縮自己着火式燃焼モードを継続しながら目標エンジントルクTe*を増加させた際に、空燃比ABFactがストイキ近傍となる時刻であり、目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以上となった時刻を示している。
 火花点火式燃焼モードを実施中に、時刻tb1において目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以下となり、かつ、エンジン回転速度がNe_A以上かつNe_B以下である場合には、圧縮自己着火式燃焼モードへと燃焼モードを切替えるべく、燃焼モードフラグFexを0から1へと変更する。時刻tb1以降では圧縮自己着火式燃焼モードが実行されるが、空燃比ABFactが目標空燃比ABFtgtよりもリーンとなるため、時刻tb2以降より目標エンジントルクTe*の増大を継続した場合、空燃比ABFactがストイキ近傍よりもリーンとなる時刻tb3において、目標エンジントルクTe*が初期設定での領域上限値Tul以上となることから、以降の目標エンジントルクTe*の増加にも圧縮自己着火式燃焼モードが継続可能であるにも関わらず、燃焼モードを火花点火式燃焼モードへと切替えるべく、燃焼モードフラグFexを1から0へと変更してしまう。そのため、時刻tb3から時刻tb4の期間にて圧縮自己着火式燃焼モードを実施することによる燃費削減ポテンシャルを有効活用することができない場合がある。
 図15は本発明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燃焼モードと圧縮自己着火式燃焼モードとの切替制御を適用した場合に、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比が初期設定値よりもリーン化する場合のタイミングチャートを示す。
 図15において、横軸は時間を示している。図15(A)の縦軸は、エンジントルクTeを示している。図の上方に向かってエンジントルクは増加している。図15(B)の縦軸は、エンジン回転速度Neを示している。図の上方に向かってエンジン回転速度は増加している。図15(C)は空燃比を示している。図の上方に向かって空燃比はリーンとなる。図15(D)は燃焼モードフラグを示している。Fex=0は燃焼モードが火花点火式燃焼モードであることを示し、Fex=1は燃焼モードが圧縮自己着火式燃焼モードであることを示している。図15(E)は圧縮自己着火式燃焼領域のエンジントルク方向の領域上限値Tulを空燃比に応じて変化させる量である領域上限値補正量ΔTulを示している。図上方に向かって領域補正量ΔTulは増加している。
 図15において、図15(A)の実線は目標エンジントルクTe*を示し、破線は発生するエンジントルクTeを示し、点線は図5に示す圧縮自己着火式燃焼領域の領域上限値の初期設定値であるTulを示し、太線は領域上限値Tulに領域上限値補正量ΔTulを減じた新規領域上限値nTulを示している。図15(B)の点線であるNe_AおよびNe_Bはそれぞれ、圧縮自己着火式燃焼が実施可能なエンジン回転速度の下限値および上限値を示している。図15(C)の実線は空燃比センサ9の出力信号である計測空燃比ABFactを示し、破線は図6のマップのように、圧縮自己着火式燃焼モードにおける目標空燃比の初期設定値ABFtgtを示し、点線は火花点火式燃焼モードにて設定されるストイキ近傍の空燃比を示している。
 図15の横軸において、時刻tc1は目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以下となった時刻を示している。図15の横軸において、時刻tc2は、図15(C)において演算した目標空燃比ABFtgtと計測空燃比AFBactとの差分であるΔABFを演算し、ΔABFに基づいて領域上限値をTulから新規領域上限値nTulへと変更した時刻を示している。図15の横軸において、時刻tc3は目標エンジントルクTe*が増加を開始した時刻を示している。図15の横軸において、時刻tc4は、図15(A)において、目標エンジントルクTe*が新規領域上限値Tul以上となった時刻、かつ、図15(C)において、初期設定の目標空燃比ABFactがストイキ近傍となった時刻を示している。図15の横軸において、時刻ta5は目標エンジントルクTe*が新規領域上限値nTul以上となった時刻であり、計測空燃比ABFactがストイキ近傍となった時刻を示している。
 火花点火式燃焼モードを実施中に、時刻tc1において目標エンジントルクTe*が領域上限値Tul以下となり、かつ、エンジン回転速度NeがNe_A以上かつNe_B以下である場合には、圧縮自己着火式燃焼モードへと燃焼モードを切替えるべく、燃焼モードフラグFexを0から1へと変更する。その後、時刻tc1以降では圧縮自己着火式燃焼モードが実行される。このとき、計測空燃比ABFactが目標空燃比ABFtgtよりもリーンであると検出されるため、時刻tc2において、空燃比の差分ΔABFを演算し、ΔABFに基づいて領域上限値補正量ΔTulを演算した後、ΔTulに基づいて領域上限値をTulから新規領域上限値nTulへと変更する(Tul>nTul)。時刻tc3において目標エンジントルクTe*が増加を開始した後、空燃比ABFactがリーン化していく。この際、時刻tc4において目標エンジントルクTe*が初期設定の領域上限値Tul以上となるが、空燃比がリーンであるため、以降も圧縮自己着火式燃焼モードが継続可能と判断し、圧縮自己着火式燃焼モードを継続するため、目標エンジントルクTe*の増加に伴い、計測空燃比ABFactがリッチ方向へ変化していく。時刻tc5にて目標エンジントルクTe*が新規領域上限値nTul以上となった際には、計測空燃比ABFactがストイキ近傍となり、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えるべく、燃焼モードフラグFexを1から0へと変更する。
 以上より、本発明の実施形態である圧縮自己着火式内燃機関の制御装置を手強することにより、圧縮自己着火式燃焼モード時の計測空燃比ABFactが初期設定の目標空燃比ABFtgtよりもリーンである場合でも、圧縮自己着火式燃焼モードの領域上限値をエンジントルク増加方向へと変更することにより、目標エンジントルクの増加に対しても、圧縮自己着火式燃焼モードを実施可能なエンジントルクまで継続することから、圧縮自己着火式燃焼モードの燃費ポテンシャルを有効活用し、更なる燃費削減を実現することが可能となる。
 本発明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、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比が初期設定の目標空燃比よりもリーンであった場合の具体的動作は、これに限るものでなく、下記の通りであってもよい。具体的には、図15において、時刻tc2にて演算した空燃比の差分ΔABFから領域上限値補正量ΔTulを演算するものではなく、時刻tc3における目標エンジントルクTe*の増加傾向から時刻tc4にて目標エンジントルクTe*が初期設定の領域上限値Tul以上となることを推測し、先に演算したΔABFに基づいて時刻tc4から時間Δtcだけ遅延した時期にて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えることが可能であると判断し、時刻tc5において燃焼モードフラグFexを1から0へと切替えるものであっても良い。
 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。
 より具体的には、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比は排気管8の適宜位置に備えられた空燃比センサ9の出力信号に基づくものであったが、エアフローセンサ1、または、図には明記していないが、吸気管内の圧力を計測するセンサ、または、シリンダに流入する空気量の温度を計測するセンサ、または、大気圧を計測するセンサ、または、機関温度を計測するセンサ、または、インジェクタ3を通過する燃料流量を計測するセンサ、または、インジェクタ3から燃料を噴射するために燃料に加えられる圧力を計測するセンサ、の出力信号に基づき推定するものであっても良い。
 上述の通り、本発明を適用することにより、圧縮自己着火式燃焼モード時の空燃比に応じて適切に燃焼モードの切替えを実施することで、空燃比がリッチ化による失火などの運転性の悪化を抑制することができるとともに、空燃比がリーンによる燃費ポテンシャルの有効活用が可能となる。
1:エアフローセンサ、2:電子制御スロットル、3:インジェクタ、4:点火プラグ、5:可変バルブ、5a:吸気バルブ、5b:排気バルブ、6:吸気管、7:シリンダ、8:排気管、9:空燃比センサ、10:三元触媒、11:クランク軸、12:クランク角度センサ、13:ピストン、20:ECU、20a:入力回路、20b:入出力ポート、20c:RAM、20d:ROM、20e:CPU、20f:電子スロットル駆動回路、20g:インジェクタ駆動回路、20h:点火出力回路、20j:可変バルブ駆動回路、21:燃焼モード切替判定部、21a:領域上限値演算部、21b:目標空燃比演算部、21c,21e:引算部、21d:領域上限値補正量演算部、21f:燃焼モード切替部、22:火花点火式燃焼用操作量演算部、23:圧縮自己着火式燃焼用操作量演算部、24:燃焼モード切替部、100:エンジン、111:排気温度センサ

Claims (8)

  1.  燃焼室へ燃料を直接噴射するインジェクタと、
     前記燃焼室に噴射された燃料に点火するための点火装置と、
    を有する内燃機関に用いられ、
     前記点火装置によって前記インジェクタから噴霧された燃料に点火し、該燃料を燃焼させて前記内燃機関を作動させる火花点火式燃焼モードと、前記燃焼室を形成するピストンの上昇に伴う、圧力上昇によって前記インジェクタから噴射された燃料を燃焼させて前記内燃機関を作動させる圧縮自己着火式燃焼モードとを、前記内燃機関の作動状態が、トルクと機関回転速度にて決定される前記圧縮自己着火式燃焼モードを安定的に実施可能な圧縮自己着火式燃焼領域にあるか否かで切替える圧縮自己着火式内燃機関の制御装置であって、
     前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の前記燃焼室内に導入した空気量と燃料量との質量比である空燃比が所定値よりもリッチな場合には、
     前記圧縮自己着火式燃焼領域のトルクの上限値を、該上限値が減少する方向に変更することを特徴とする圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
  2.  前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の空燃比が前記所定値よりもリーンである場合には、前記圧縮自己着火式燃焼領域のトルクの上限値を、該上限値が増加する方向に変更することを特徴とする請求項1記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
  3.  前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の空燃比が前記所定値よりもリッチであり、
     前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中に、前記圧縮自己着火式燃焼領域の上限値以上にトルクを増加させる要求がある場合、
     前記トルクを増加させる要求がある以前のトルクを基準として、前記圧縮自己着火式燃焼モードにてトルクを増加させる量を、空燃比が前記所定値である場合の増加量よりも減量して、圧縮自己着火式燃焼モードにて前記トルクを増加した後、火花点火式燃焼モードにて前記トルクを増加することを特徴とする請求項1記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
  4.  前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の空燃比が前記所定値よりもリーンであり、
     前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中に、前記圧縮自己着火式燃焼領域の上限値以上にトルクを増加させる要求があった場合、
     前記トルクを増加させる要求がある以前のトルクを基準として、前記圧縮自己着火式燃焼モードにてトルクを増加させる量を、空燃比が前記所定値である場合の増加量よりも増量して、前記圧縮自己着火式燃焼モードにてトルクを増加した後、前記火花点火式燃焼モードにてトルクを増加することを特徴とする請求項1記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
  5.  前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の空燃比が前記所定値よりもリッチであり、
     前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中に、前記圧縮自己着火式燃焼領域の上限値以上にトルクを増加させる要求があった場合、
     トルクを増加させる要求がある以前に前記圧縮自己着火式燃焼モードを継続する期間を基準として、前記圧縮自己着火式燃焼モードにてトルクを増加させる期間を短縮して、前記圧縮自己着火式燃焼モードにてトルクを増加した後、前記火花点火式燃焼モードにてトルクを増加することを特徴とする請求項1記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
  6.  前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中の空燃比が前記所定値よりもリーンであり、
     前記圧縮自己着火式燃焼モードを実施中に、前記圧縮自己着火式燃焼領域の上限値以上にトルクを増加させる要求があった場合、
     前記トルクを増加させる要求がある以前に前記圧縮自己着火式燃焼モードを継続する期間を基準として、前記圧縮自己着火式燃焼モードにてトルクを増加させる期間を延長して、前記圧縮自己着火式燃焼モードにてトルクを増加した後、前記火花点火式燃焼モードにて前記トルクを増加することを特徴とする請求項1記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
  7.  前記空燃比は、前記排気弁の下流に設けられた空燃比を検出するセンサの出力信号に基づいて決定することを特徴とする請求項1記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
  8.  前記空燃比は、前記内燃機関に設けられた、吸気管内を通過する空気流量を計測するセンサ、または、吸気管内の圧力を計測するセンサ、または、前記燃焼室に流入する空気量の温度を計測するセンサ、または、大気圧を計測するセンサ、または、前記内燃機関の機関温度を計測するセンサ、または、前記インジェクタを通過する前記燃料の流量を計測するセンサ、または、前記インジェクタから前記燃料を噴射するために前記燃料に加えられる圧力を計測するセンサ、のいずれか一つの出力信号に基づいて決定することを特徴とする請求項1記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
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