(57)【要約】【課題】外部ＥＧＲを必要とすることなく、圧縮着火運転領域を拡大可能なエンジンの圧縮着火運転制御装置及び圧縮着火運転制御方法を提供する。【解決手段】排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とがオーバーラップしないように設定された排気弁の閉弁タイミング及び吸気弁の開弁タイミングで圧縮着火運転可能なエンジンの圧縮着火運転制御装置であって、圧縮着火運転中の運転状態が圧縮着火運転を安定的に継続可能な運転状態であるか否かを検出する運転状態検出手段(Ｓ１５)と、運転状態に応じて筒内の既燃ガスが吸気側へ吹き戻るように吸気弁の開弁タイミングを変更する動弁制御手段(Ｓ１６，Ｓ１７)と、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とがオーバーラップしないように設定された排気弁の閉弁タイミング及び吸気弁の開弁タイミングで圧縮着火運転可能なエンジンの圧縮着火運転制御装置であって、
圧縮着火運転中の運転状態が圧縮着火運転を安定的に継続可能な運転状態であるか否かを検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態に応じて筒内の既燃ガスが吸気側へ吹き戻るように吸気弁の開弁タイミングを変更する動弁制御手段と、
を有することを特徴とするエンジンの圧縮着火運転制御装置。
【請求項２】
前記動弁制御手段は、筒内圧力が吸気圧力よりも高いタイミングで吸気弁が開弁するように吸気開弁タイミングを変更する、
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの圧縮着火運転制御装置。
【請求項３】
前記動弁制御手段は、エンジン負荷が大きいほど吸気弁の開弁タイミングを進角する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの圧縮着火運転制御装置。
【請求項４】
前記動弁制御手段は、エンジン負荷が大きいほど、排気弁の閉弁タイミングから上死点までのクランクアングルから、上死点から吸気弁の開弁タイミングまでのクランクアングルを引いたクランクアングル差が拡大するように、吸気弁の開弁タイミングを進角する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエンジンの圧縮着火運転制御装置。
【請求項５】
前記動弁制御手段は、エンジン回転速度が小さいほど吸気弁の開弁タイミングを進角する、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のエンジンの圧縮着火運転制御装置。
【請求項６】
前記動弁制御手段は、エンジン回転速度が小さいほど、排気弁の閉弁タイミングから上死点までのクランクアングルから、上死点から吸気弁の開弁タイミングまでのクランクアングルを引いたクランクアングル差が拡大するように、吸気弁の開弁タイミングを進角する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のエンジンの圧縮着火運転制御装置。
【請求項７】
排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とがオーバーラップしないように設定された排気弁の閉弁タイミング及び吸気弁の開弁タイミングで圧縮着火運転可能なエンジンの圧縮着火運転制御方法であって、
圧縮着火運転中の運転状態が圧縮着火運転を安定的に継続可能な運転状態であるか否かを検出する運転状態検出工程と、
前記運転状態に応じて筒内の既燃ガスが吸気側へ吹き戻るように吸気弁の開弁タイミングを変更する動弁制御工程と、
を有することを特徴とするエンジンの圧縮着火運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧縮着火運転可能なエンジンの圧縮着火運転制御装置及び圧縮着火運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の運転領域では予混合ガスを圧縮して自己着火させる圧縮着火(Homogeneous Charge Compression Ignition；以下「ＨＣＣＩ」と略す)の運転モードにし、それ以外の運転領域では点火プラグを使用する火花着火(Spark Ignition；以下「ＳＩ」と略す)の運転モードにするエンジンが研究されている。
【０００３】
ＨＣＣＩモードで運転すれば、燃費が向上するとともに、大気汚染物質(特に窒素酸化物ＮＯｘ)の排出量も大幅に低減できるので、ＨＣＣＩモードの運転領域を拡大することが望ましい。
【０００４】
たとえば特許文献１では圧縮着火運転領域のうちの高回転高負荷側の運転領域において冷却された外部ＥＧＲを導入することで、圧縮着火運転領域を拡大している。
【特許文献１】特開２００５−１６４０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら外部ＥＧＲを導入するには、ＥＧＲバルブやＥＧＲ配管などが必要であり、製造コストが高価になる。またＥＧＲガスは長いＥＧＲ配管を通るので応答性が悪い。さらにＷＯＴ(Wide Open Throttle)では吸気管負圧が小さいので、外部ＥＧＲを導入することが難しく、大形のＥＧＲバルブ又は過給装置などが必要になる。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、外部ＥＧＲを必要とすることなく、圧縮着火運転領域を拡大可能なエンジンの圧縮着火運転制御装置及び圧縮着火運転制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００８】
本発明は、排気弁(１２)の開弁期間と吸気弁(１１)の開弁期間とがオーバーラップしないように設定された排気弁の閉弁タイミング(ＥＶＣ)及び吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)で圧縮着火運転可能なエンジンの圧縮着火運転制御装置であって、圧縮着火運転中の運転状態が圧縮着火運転を安定的に継続可能な運転状態であるか否かを検出する運転状態検出手段(ステップＳ１５)と、前記運転状態に応じて筒内の既燃ガスが吸気側へ吹き戻るように吸気弁の開弁タイミングを変更する動弁制御手段(ステップＳ１６，Ｓ１７)と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
たとえばエンジン負荷が大きくなるほど、筒内への投入熱量が増加し筒内温度が上昇しノックが発生しやすくなり圧縮着火運転を安定的に継続することが困難になる。本発明によれば、圧縮着火運転中の運転状態が圧縮着火運転を安定的に継続可能な運転状態であるか否かに応じて筒内の既燃ガスが吸気側へ吹き戻るように吸気弁の開弁タイミングを変更するようにしたので、混合気の燃焼が緩慢になりノックを生じにくくなるので、高負荷での運転限界を拡大できるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（基本構成）
図１は、本発明によるエンジンの圧縮着火運転制御装置の基本構成図である。
【００１１】
エンジン１０は、吸気弁１１と、排気弁１２と、燃料噴射弁１３と、点火プラグ１４と、筒内圧センサ１５と、を備える。エンジン１０の吸気通路２１には、吸気スロットル３１が設けられる。エンジン１０の排気通路２２には、排ガス浄化触媒４０が設けられる。
【００１２】
吸気弁１１は、吸気通路２１を開閉しエンジン筒内への吸気の流れを調整する。
【００１３】
排気弁１２は、排気通路２２を開閉しエンジン筒内からの排気の流れを調整する。排気弁１２は、可変動弁機構によって作動角及び作動中心を連続して調整可能である。なお可変動弁機構としては、たとえば特開２００４−３４６８２５号公報や特開２００７−３１５２２９号公報に開示されたＶＶＥＬ(Variable Valve Event and Lift control)及びＶＴＣ(Valve Timing Control)を使用すればよい。
【００１４】
燃料噴射弁１３は、エンジン筒内に燃料を噴射する。
【００１５】
点火プラグ１４は、ＳＩモードで運転中に混合気に火花着火する。
【００１６】
筒内圧センサ１５は、エンジン筒内の圧力を検出する。この検出圧の圧力波形に基づいて図示平均有効圧が算出される。
【００１７】
吸気スロットル３１は、コントローラの信号に応じて開度を調整して吸気量を制御する。
【００１８】
図２は、ＨＣＣＩモードとＳＩモードとを切り替えるエンジンの運転領域を説明する図である。
【００１９】
運転条件によってＨＣＣＩモードとＳＩモードとを切り替えるエンジンが研究されている。本件発明者らが研究中のエンジンは、図２に示すように低回転低負荷の所定領域でＨＣＣＩモードで運転し、それ以外ではＳＩモードで運転する。ＨＣＣＩモードでは、極めてリーンな空燃比(たとえば２５〜４０程度)で運転するので、燃費が向上するとともに、大気汚染物質(特に窒素酸化物ＮＯｘ)の排出量も大幅に低減できる。そのためＨＣＣＩモードの運転領域を拡大することが望ましい。
【００２０】
そこで本実施形態では、以下のように圧縮着火運転を制御することでＨＣＣＩモードの運転領域を拡大するようにした。
【００２１】
具体的な制御内容を図３及び図４を参照して説明する。なお図３はエンジンの圧縮着火運転制御装置の制御ロジックのメインルーチンを示すフローチャートである。図４は本実施形態の動弁のバルブタイミングダイヤグラムであり、図４(Ａ)は通常運転におけるバルブタイミングを示し、図４(Ｂ)は圧縮着火領域拡大運転におけるバルブタイミングを示す。
【００２２】
ステップＳ１１においてコントローラは、エンジンの運転状態を検出する。
【００２３】
ステップＳ１２においてコントローラは、エンジンの運転状態がＨＣＣＩモード運転領域内の運転であるか否かを判定する。具体的には図２に示したマップに基づき判定する。ＨＣＣＩモード運転領域内の運転でなければステップＳ１３へ処理を移行し、そうであればステップＳ１４へ処理を移行する。
【００２４】
ステップＳ１３においてコントローラは、ＳＩモードでエンジンを運転する。
【００２５】
ステップＳ１４においてコントローラは、ＨＣＣＩモードでエンジンを運転する。
【００２６】
ステップＳ１５においてコントローラは、エンジン負荷が基準負荷を越えたか否かを判定する。この基準負荷は、ノックを生じやすく圧縮着火運転を安定的に継続可能な運転状態でないことを判定するための負荷であり、あらかじめ実験を通じて設定される。この基準負荷を越えなければステップＳ１６へ処理を移行し、越えればステップＳ１７へ処理を移行する。
【００２７】
ステップＳ１６においてコントローラは、排気弁の閉弁タイミング(ＥＶＣ)から上死点(ＴＤＣ)までのクランクアングルαから、上死点(ＴＤＣ)から吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)までのクランクアングルβを引いたクランクアングル差α−βを一定に保持する(図４(Ａ)参照)。
【００２８】
ステップＳ１７においてコントローラは、エンジン負荷が大きいほど、クランクアングル差α−βが大きくなり、筒内圧力が吸気圧力よりも高いタイミングで吸気弁が開弁するように、吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)を進角する(図４(Ｂ)参照)。
【００２９】
図５は、吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)と既燃ガスの吸気側への吹き戻し量との相関を示す図である。
【００３０】
図５に示されているように、吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)が進角して、上死点(ＴＤＣ)から吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)までのクランクアングルβが小さくなるほど、吸気圧力よりも筒内圧力が高くなり、既燃ガスの吸気側への吹き戻し量が増える。
【００３１】
したがって図３のフローチャートに沿って制御すれば図６に示されているようになる。
【００３２】
図６は、本実施形態の作用を示す図である。図６の横軸には図示平均有効圧Ｐｉをとったが、図示平均有効圧Ｐｉはエンジン負荷に比例するので、エンジン負荷が示されていると考えてもよい。また以下の説明ではフローチャートとの対応が分かりやすくなるように、フローチャートのステップ番号をＳ付けで併記した。
【００３３】
コントローラは、ＨＣＣＩモード運転領域であってエンジン負荷が基準負荷よりも小さいか否かを判定し(ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１４→Ｓ１５)、図６(Ａ)に示すように基準負荷を越えなければクランクアングル差α−βを一定に保持する(ステップＳ１６)。このとき図６(Ｂ)に示すように、既燃ガスの吸気側への吹き戻し量も一定である。
【００３４】
そしてコントローラは、ＨＣＣＩモード運転領域であって図６(Ａ)に示すように、エンジン負荷が基準負荷を越えたら、エンジン負荷が大きいほど(図示平均有効圧Ｐｉが大きいほど)クランクアングル差α−βが大きくなるように、吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)を進角する。このとき図６(Ｂ)に示すように、クランクアングル差α−βが大きくなるにつれて、既燃ガスの吸気側への吹き戻し量も多くなる。
【００３５】
図７は、ＨＣＣＩモードで運転したときの既燃ガスの吸気側への吹き戻し量と熱発生率変化との相関を示す図である。
【００３６】
既燃ガスは、一旦吸気側に吹き戻されて、新気とともに再度エンジン筒内に吸入される。このとき既燃ガスは新気によって冷却される。また既燃ガスの吹き戻し量が多いほど新気が減る。そのため既燃ガスの吹き戻し量が多いほど、熱発生率が緩やかに立ち上がるようになり、また熱発生率のピーク値も小さくなる。したがってＨＣＣＩモードで運転したときに混合気の燃焼が緩慢になる。
【００３７】
図８及び図９は、本実施形態の効果を説明する図である。
【００３８】
エンジン負荷が大きくなるほど、筒内への投入熱量が増加し筒内温度が上昇するので、ノックが発生しやすくなる。
【００３９】
そこで本実施形態では、上述のようにエンジン負荷が大きいほど(図示平均有効圧Ｐｉが大きいほど)、クランクアングル差α−βが大きくなるように、吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)を進角した。このようにすれば既燃ガスの吸気側への吹き戻し量も多くなり、混合気の燃焼が緩慢になる。燃焼が緩慢になれば、ノックを生じにくくなるので、図８に示したように高負荷での運転限界を拡大できる。
【００４０】
したがってＨＣＣＩモードの運転領域を拡大することができる。
【００４１】
そしてＨＣＣＩモードの運転領域を拡大することができれば、図９に示したように、ＳＩモードで運転するのに比較して、図示熱効率が向上し燃費率が向上するのである。
【００４２】
（第２実施形態）
図１０は、本発明によるエンジンの圧縮着火運転制御装置の第２実施形態を示す図である。
【００４３】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００４４】
ステップＳ１１からステップＳ１４は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００４５】
ステップＳ２１においてコントローラは、エンジン回転速度が低いほど、クランクアングル差α−βが大きくなり、筒内圧力が吸気圧力よりも高いタイミングで吸気弁が開弁するように、吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)を進角する。
【００４６】
図１１は、第２実施形態の作用効果を示す図である。
【００４７】
コントローラは、ＨＣＣＩモード運転領域であって図１１(Ａ)に示すようにエンジン回転速度が低いほどクランクアングル差α−βが大きくなるように、吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)を進角する(ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１４→Ｓ２１)。このとき図１１(Ｂ)に示すように、クランクアングル差α−βが大きくなるにつれて、既燃ガスの吸気側への吹き戻し量も多くなる。すると図１１(Ｃ)に示すように、吹き戻しによって筒内ガス温度が大きく低下する。
【００４８】
圧縮自己着火エンジンは、エンジン回転速度によって、圧縮着火運転を安定的に継続可能な運転状態にするための要求着火温度が変化する。要求着火温度は低回転では低下する。そこで本実施形態のように、エンジン回転速度が低いほど吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)を進角して既燃ガスの吸気側への吹き戻し量を多くすることで、筒内ガス温度が低下しても要求着火温度は上回り着火可能である。一方、エンジン回転速度が上がれば、吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)を遅角して既燃ガスの吸気側への吹き戻し量が少なくなるので、筒内ガス温度が上昇するので要求着火温度を上回り、高回転での着火温度を確保できるのである。
【００４９】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００５０】
たとえば吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを調整する機構としては、上述の機構に限らない。特開２００４−２５７３３１号公報のように電動アクチュエータを使用するもの、特開２０００−４５７３３号公報のように電磁コイルを使用するもの、カムシャフトにハイカム／ローカムの２種類のカム駒を設けたＶＶＬ(Variable Valve Lift and timing)、その他いずれの公知のものを用いてもよい。
【００５１】
また上記説明においては、圧縮着火運転可能なエンジンとして、運転状態に応じてＨＣＣＩモードとＳＩモードとを切り替えて運転するエンジンを例示したが、これに限らず通常のディーゼルエンジンにおいて同様の制御をしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明によるエンジンの圧縮着火運転制御装置の基本構成図である。
【図２】ＨＣＣＩモードとＳＩモードとを切り替えるエンジンの運転領域を説明する図である。
【図３】エンジンの圧縮着火運転制御装置の制御ロジックのメインルーチンを示すフローチャートである。
【図４】本実施形態の動弁のバルブタイミングダイヤグラムである。
【図５】吸気弁の開弁タイミング(ＩＶＯ)と既燃ガスの吸気側への吹き戻し量との相関を示す図である。
【図６】本実施形態の作用を示す図である。
【図７】ＨＣＣＩモードで運転したときの既燃ガスの吸気側への吹き戻し量と熱発生率変化との相関を示す図である。
【図８】本実施形態の効果を説明する図である。
【図９】本実施形態の効果を説明する図である。
【図１０】本発明によるエンジンの圧縮着火運転制御装置の第２実施形態を示す図である。
【図１１】第２実施形態の作用効果を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  エンジン
１１  吸気弁
１２  排気弁
１３  燃料噴射弁
１４  点火プラグ
ステップＳ１５  運転状態検出手段／運転状態検出工程
ステップＳ１６，Ｓ１７  動弁制御手段／動弁制御工程
ステップＳ２１  運転状態検出手段及び動弁制御手段／運転状態検出工程及び動弁制御工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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