(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速操作手段の操作量が加速判定値を越えると加速と判定する加速判定手段と、
該加速判定手段により加速が判定されると理論空燃比よりもリーンな空燃比で運転を行なう希薄燃焼運転から非希薄燃焼運転に変更する運転モード変更手段とを備えた希薄燃焼内燃機関において、
希薄燃焼運転の頻度を算出する希薄燃焼運転頻度算出手段と、
算出された希薄燃焼運転頻度と予め設定された設定希薄燃焼運転頻度とを比較する比較手段と、
比較手段により設定希薄燃焼運転頻度よりも算出された希薄燃焼運転頻度が小さいと判断された場合には前記加速判定値を大きくする加速判定値変更手段と
を備えたことを特徴とする希薄燃焼内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比を理論空燃比よりも燃焼希薄側に制御して燃費特性を改善した内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料消費率を向上させて燃費の向上を図るため、空燃比を理論空燃比よりも希薄な空燃比、即ち、リーン空燃比として運転可能な内燃機関（エンジン）が開発され実用化されている。
【０００３】
通常、リーン空燃比として運転可能なエンジンでは、燃焼室や吸気ポートの形状、燃焼噴射方式を工夫して燃焼室内の混合気を層状化し、これにより燃料濃度の高い混合気を極力点火プラグの近傍に集め、着火性を向上させるようにしている。このように、混合気を好適に層状化できるようになると、点火プラグ近傍の混合気の燃料濃度のみを高くし、全体として空燃比を希薄化する、即ち、リーン化することが可能になる。また、空燃比を広い範囲で自在に制御することが可能になる。
【０００４】
近年、有害排出ガス成分の低減や燃費の向上等を図るため、吸気管内に燃料を噴射する吸気管噴射エンジンに代えて、燃焼室内に直接燃料を噴射する多気筒型筒内噴射エンジンが種々提案されている。多気筒型筒内噴射エンジンは、主として吸気行程で燃料噴射が行なわれる吸気行程噴射モードと、主として圧縮行程で燃料噴射が行なわれる圧縮行程噴射モードとが運転状態に応じて切換えられるようになっている。そして、多気筒型筒内噴射エンジンにおいても、運転状態に応じて希薄燃焼運転（リーン運転）が可能となっている。
【０００５】
吸気行程噴射モードと圧縮行程噴射モードにおいても、リーン空燃比として制御される吸気行程希薄空燃比モード（吸気リーンモード）及び圧縮行程希薄空燃比モード（圧縮リーンモード）が設定されている。比較的低負荷側の運転領域において実行されるリーンモードにおいて、車両の加速時のようにスロットル弁開速度またはエンジン回転速度変化速度が大きくなり、運転者が出力要求を行なっている時には、希薄燃焼では出力要求に応えられないため、空燃比をストイキオ等の非リーン運転に変更する必要があり、リーンモードを中止していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した多気筒型筒内噴射エンジンでは、予め設定された運転モードに基づいた所定値を基準としてスロットル弁開度の変化率、アクセルペダル開速度またはエンジン回転速度の変化率によって加速判定及び定常判定を行っている。このため、運転者の癖等による運転操作のバラツキにより、例えば、アクセルの強い踏み込みを頻繁に行ったような場合、頻繁に加速判定されてリーン運転の頻度が少なくなる運転状況が生じていた。リーン運転の頻度が少なくなる運転状況が生じると、燃費の向上等を図るためになされた筒内噴射エンジンであっても、リーン運転の頻度が減少して燃費の向上が図れなくなる虞が生じる。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、運転者の運転操作のバラツキに拘らず所定の頻度でリーン運転を実施することができる希薄燃焼内燃機関を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の構成は、希薄燃焼運転頻度算出手段により希薄燃焼運転の頻度を算出し、算出された希薄燃焼運転頻度と予め設定された設定希薄燃焼運転頻度とを比較手段で比較し、設定希薄燃焼運転頻度よりも算出された希薄燃焼運転頻度が小さいと判断された場合には加速判定値変更手段により加速判定値を大きくし、非希薄燃焼運転に変更し難くして希薄燃焼運転頻度を大きくする。これにより、運転者の癖や走行状況に影響されることなく希薄燃焼運転頻度を増加させ、燃費を更に向上させる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて本発明の実施形態例を説明する。図示の実施形態例は、希薄燃焼内燃機関として、燃焼室内に直接燃料を噴射するようにした多気筒型筒内噴射内燃機関を例に挙げて説明してある。図１には本発明の一実施形態例に係る多気筒型筒内噴射内燃機関の概略構成、図２には燃料噴射制御マップを示してある。
【００１０】
図１に基づいて多気筒型筒内噴射内燃機関の構成を説明する。多気筒型筒内噴射内燃機関としては、例えば、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン（筒内噴射エンジン）１が適用される。筒内噴射エンジン１は、燃焼室や吸気装置及び排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）等が筒内噴射専用に設計されている。
【００１１】
筒内噴射エンジン１のシリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラグ３が取り付けられると共に、各気筒毎に電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられている。燃焼室５内には燃料噴射弁４の噴射口が開口し、燃料噴射弁４から噴射される燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。筒内噴射エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下方向に摺動自在に支持され、ピストン７の頂面には半球状に窪んだキャビティ８が形成されている。キャビティ８により、吸気流に通常のタンブル流とは逆の逆タンブル流を発生させるようになっている。
【００１２】
シリンダヘッド２には燃焼室５を臨む吸気ポート９及び排気ポート１０が形成され、吸気ポート９は吸気弁１１の駆動によって開閉され、排気ポート１０は排気弁１２の駆動によって開閉される。排気ポート１０には大径の排気ガス再循環ポート（ＥＧＲポート）１５が斜め下方に向けて分岐している。
【００１３】
筒内噴射エンジン１のシリンダ６の近傍には冷却水温を検出する水温センサ１６が設けられている。また、各気筒の所定のクランク位置でクランク角信号を出力するクランク角センサ１７が設けられ、クランク角センサ１７はエンジン回転速度を検出可能としている。即ち、エンジン回転速度の変化率を検出可能としている。
【００１４】
吸気ポート９には吸気マニホールド２１を介して吸気管４０が接続され、吸気マニホールド２１にはサージタンク２２が備えられている。また、吸気管４０には、エアクリーナ２３、吸入空気量を検出するエアフローセンサ２６、スロットルボデー２４が備えられている。また、吸気管４０にはスロットルボデー２４を迂回して吸気マニホールド２１に吸気を行うエアバイパスパイプ（図示省略）が設けられている。
【００１５】
スロットルボデー２４には流路を開閉するバタフライ式のスロットル弁２９が設けられると共に、スロットル弁２９の開度を検出するスロットルポジションセンサ３０が備えられている。スロットルポジションセンサ３０により、スロットル弁２９の開度に応じたスロットル電圧が出力され、スロットル電圧に基づいてスロットル弁２９の開度が認識されるようになっている。即ち、スロットル弁２９の変化率が認識される。
【００１６】
一方、排気ポート１０には排気マニホールド３２を介して排気管３３が接続され、排気マニホールド３２にはO2センサ３４が取り付けられている。また、排気管３３には触媒３５及び図示しないマフラーが備えられている。また、ＥＧＲポート１５はＥＧＲパイプ３６を介して吸気マニホールド２１の上流側に接続され、ＥＧＲパイプ３６にはＥＧＲ弁３７が設けられている。
【００１７】
車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）６１が設けられ、このＥＣＵ６１には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。ＥＣＵ６１によって筒内噴射エンジン１の総合的な制御が実施される。各種センサ類の検出情報はＥＣＵ６１に入力され、ＥＣＵ６１は各種センサ類の検出情報に基づいて、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして点火時期やＥＧＲガスの導入量等を決定し、燃料噴射弁４や点火プラグ３、ＥＧＲ弁３７等を駆動制御する。
【００１８】
上述した筒内噴射エンジン１では、吸気ポート９から燃焼室５内に流入した吸気流が逆タンブル流を形成し、圧縮行程中期以降に燃料噴射弁４から燃料を噴射して逆タンブル流を利用しながら燃焼室５の頂部中央に配設された点火プラグ３の近傍のみに少量の燃料を集め、点火プラグ３から離隔した部分で極めてリーンな空燃比状態とする。点火プラグ３の近傍のみを理論空燃比又はリッチな空燃比とすることで、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら燃料消費を抑制する。
【００１９】
また、この筒内噴射エンジン１から高出力を得る場合には、燃料噴射弁４からの燃料を吸気行程に噴射することにより燃焼室５全体に均一化し、予混合燃焼を行う。もちろん、理論空燃比もしくはリッチ空燃比による方がリーン空燃比によるよりも高出力が得られるため、この際にも、燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行ない、効率よく高出力を得るようにしている。
【００２０】
ＥＣＵ６１は、スロットル弁２９の開度に応じた運転中の負荷Peとエンジン回転速度Neとに基づき、図２の燃料噴射マップから現在の燃料噴射領域を検索して燃料噴射モードを決定すると共に、各燃料噴射モードでの目標空燃比に応じた燃料噴射量が決定され、この燃料噴射量に応じて燃料噴射弁４が駆動制御されると共に、点火プラグ３の点火制御やＥＧＲ弁３７の開閉制御も実施される。
【００２１】
アイドル運転時や低速走行時等の低負荷領域では、燃料噴射領域は図２中の後期噴射リーンモード（圧縮リーンモード）が選択される。圧縮リーンモードでは、層状超リーン燃焼によるリーン運転を実現し燃費を向上させるため、圧縮行程中（特に圧縮行程後半）に燃料噴射を行う。
【００２２】
高速走行時等の中負荷領域では、燃料噴射領域は図２中の前期噴射リーンモード（吸気リーンモード）、あるいはストイキオフィードバックモードが選択される。吸気リーンモードでは、予混合燃焼によるリーン運転を実現するため、吸気行程中に燃料噴射を行う。ストイキオフィードバックモードでは、予混合燃焼によるストイキオ運転（理論空燃比運転）を実現し吸気リーンモードより出力を向上させるため、吸気行程中に燃料噴射を行う。
【００２３】
急加速時や高速走行時等の高負荷領域では、燃料噴射領域は図２中のオープンループモードが選択される。オープンループモードでは、予混合燃焼によるリッチ運転を実現しストイキオフィードバックモードより出力を向上させる。更に、惰性走行や停止に移行する走行でスロットル弁が略全閉状態にされた領域では、燃料噴射領域は図２中の燃料カットモードとなり、燃焼室５内への燃料の供給が停止される。
【００２４】
図３に示すように、上述した筒内噴射エンジン１では、加速操作手段としてのスロットル弁２９の開度の変化率が所定値（加速判定値）を上回った場合に加速判定手段７１により加速状態と判定し、希薄燃焼運転としての吸気リーンモードもしくは圧縮リーンモード（リーンモード）での運転中に加速状態と判定された場合、運転モード変更手段７２により運転モードが非希薄燃焼運転としてのストイキオフィードバックモードもしくはオープンループモード（非リーンモード）に変更される。そして、クランク角センサ１７で検出されるエンジン回転速度の変化率が所定値（定常判定値）を下回った場合に加速判定手段７１により定常状態と判定し、運転モードがリーンモードに変更される。
【００２５】
また、図３に示すように、水温センサ１６によりリーンモードでの運転が可能な水温になったことが検出されリーンモードでの運転が実行されるとリーン領域タイマ７３が作動すると共に、リーンモードでの運転が実行されている間リーン運転タイマ７４が作動する。リーン領域タイマ７３及びリーン運転タイマ７４のカウント値に基づき、リーンモードの頻度が希薄燃焼頻度算出手段としての算出手段７５により算出される。即ち、リーンモードでの運転（リーン運転）が可能な領域において実際にリーン運転となった頻度（希薄運転頻度：リーン頻度）が算出される。
【００２６】
算出手段７５により算出されたリーン頻度は、比較手段７６により予め設定された設定希薄燃焼運転頻度（設定リーン頻度）と比較される。設定リーン頻度とリーン頻度との間に差が生じている場合、加速判定値変更手段としての変更手段７７により加速状態と判定するためのスロットル弁２９の開度の変化率の所定値を変更する。また、定常状態と判定するためのエンジン回転速度の変化率の所定値を変更する。
【００２７】
つまり、リーン頻度が小さいと判断された場合、スロットル弁２９の開度の変化率の所定値を大きく変更し、加速時に運転モードが非リーンモードに変更されるのを遅らせる。また、エンジン回転速度の変化率の所定値を大きく変更し、定常状態になる時にリーンモードに変更されるのを早める。これにより、運転操作の癖等により加速状態と判定されやすい操作を行なう運転者の場合であっても、加速時には非リーンモードに変更され難くすると共に、定常状態に移行する時には非リーンモードが短縮され、ある程度の頻度でリーン運転を確保することができる。
【００２８】
また、リーン頻度が大きいと判断された場合、スロットル弁２９の開度の変化率の所定値を小さく変更し、加速時に運転モードが非リーンモードに変更されるのを早める。また、エンジン回転速度の変化率の所定値を小さく変更し、定常状態になる時にリーンモードに変更されるのを遅らせる。これにより、運転操作の癖等により加速状態と判定されにくい操作を行なう運転者の場合であっても、加速時には非リーンモードに変更されるようにすると共に、定常状態に移行する時には非リーンモードが長くされる。リーン運転では非リーン運転に比べてNox が多く排出される傾向にあるが、リーン頻度が大きいと判断された場合に加速判定値を小さくすることによりリーン頻度を減少（非リーン運転を増加）させることで、Nox の排出量が抑えられて排気ガス性能が向上する。
【００２９】
リーン頻度を算出して加速判定値を変更する機能の詳細状態を図４乃至図７に基づいて説明する。図４乃至図６にはリーンモード判定制御のフローチャート、図７にはリーン領域タイマ及びリーンタイマの作動状況を表すタイムチャートを示してある。
【００３０】
図４に基づいて加速判定手段７１による判定状況を説明する。
【００３１】
図に示すように、ステップＳ１で水温センサ１６により検出された水温WTがリーン運転許可水温WTL を越えているか否かが判断され、水温WTがリーン運転許可水温WTL を越えている場合、ステップＳ２で現在の運転モードがリーン運転であるか否かが判断される。ステップＳ２でリーン運転であると判断された場合、ステップＳ３でスロットルポジションセンサ３０により検出されるスロットル弁２９の開度の変化率ΔTPS が加速判定値を越えているか否かが判断され、加速判定値を越えている場合、加速状態とされてステップＳ４で運転モードが非リーンモードに設定される。
【００３２】
ステップＳ２で現在の運転モードがリーン運転ではないと判断された場合、ステップＳ５でクランク角センサ１７で検出されるエンジン回転速度の変化率ΔNeが定常判定値未満か否かが判断される。エンジン回転速度の変化率ΔNeが定常判定値未満の場合、定常状態とされてステップＳ６で運転モードがリーンモードに設定される。
【００３３】
以上のステップに基づいて、リーン運転時における加速判定及び定常判定が行われる。
【００３４】
図５乃至図７に基づいてリーン頻度の算出とリーン頻度に基づいて加速判定値ΔTPS α、ΔTPS β、TPS γ及び定常判定値ΔNeα、ΔNeβ、ΔNeγを設定する状況を説明する。尚、加速判定値の大きさは、ΔTPS α＜ΔTPS β＜TPS γとなっており、定常判定値の大きさは、ΔNeα＜ΔNeβ＜ΔNeγとなっている。
【００３５】
図５に示すように、ステップＳ１１で水温WTがリーン運転許可水温WTL を越えているか否かが判断され、水温WTがリーン運転許可水温WTL を越えている場合（図７中Ａ点以降）、ステップＳ１２で現在の運転領域がリーン領域であるか否かが図２のマップに応じて判断される。水温WTがリーン運転許可水温WTL 以下の場合、及び現在の運転領域がリーン領域ではない場合は後述のリーン領域タイマ７３がカウント中であればカウントを停止てリターンとなる。
【００３６】
ステップＳ１２で現在の運転領域がリーン領域であると判断された場合、ステップＳ１３でリーン領域タイマ７３をＯＮにしてカウントを開始し（図７中Ｂ点以降）、ステップＳ１４でリーン運転か否かが判断される。ステップＳ１４でリーン運転であると判断された場合、ステップＳ１５でリーン運転タイマ７４をＯＮにしてカウントを開始し（図７中Ｂ点、Ｄ点、Ｆ点）、ステップＳ１６に移行する。ステップＳ１４でリーン運転ではないと判断された場合、リーン運転タイマ７４がカウント中であればカウントを停止してそのままステップＳ１６に移行する（リーン運転タイマ７４ＯＦＦ：図７中Ｃ点とＤ点の間、Ｅ点とＦ点の間）。
【００３７】
ステップＳ１６では、リーン領域タイマ７３のカウント値Ｔ及びリーン運転タイマ７４のカウント値ｔに基づいてリーン頻度が算出される。即ち、リーン領域の中でのリーン運転の頻度が次式によって算出される。
リーン頻度＝（ｔ／Ｔ）×１００
図７の例の場合、
リーン頻度＝｛（t1＋t2＋t3）／Ｔ｝×１００
となる。
【００３８】
ステップＳ１６でリーン頻度が算出された後、図６に示すように、リーン領域タイマ７３がカウントを開始してから、算出されるリーン頻度が安定する時間として設定された所定時間が経過したか否かがステップＳ１７で判断される。リーン領域タイマ７３のカウント開始から所定時間経過していれば、算出されたリーン頻度がその時の運転モードにおける目標リーン頻度より大きいか否かがステップＳ１８で判断される。
【００３９】
ステップＳ１８でリーン頻度が目標リーン頻度より大きいと判断された場合、ステップＳ１９で加速判定値ΔTPS α、定常判定値ΔNeαが選択される。加速判定値ΔTPS α及び定常判定値ΔNeαは小さな値に設定されているため、リーン頻度が大きいと判断された場合、加速時に運転モードが非リーンモードに変更されるのが早められると共に、定常状態になる時にリーンモードに変更されるのが遅くされる。
【００４０】
ステップＳ１８でリーン頻度が目標リーン頻度より大きくはないと判断された場合、ステップＳ２０でリーン頻度が目標リーン頻度より小さいか否かが判断される。ステップＳ２０でリーン頻度が目標リーン頻度より小さいと判断された場合、ステップＳ２１で加速判定値ΔTPS γ、定常判定値ΔNeγが選択される。加速判定値ΔTPS γ、定常判定値ΔNeγは大きな値に設定されているため、加速時に運転モードが非リーンモードに変更されるのが遅くされると共に、定常状態になる時にリーンモードに変更されるのが早められる。
【００４１】
ステップＳ１７でリーン領域タイマ７３がカウントを開始してから所定時間が経過していないと判断された場合、及びステップＳ２０でリーン頻度が目標リーン頻度より小さくない、即ち、リーン頻度が目標リーン頻度に等しいと判断された場合、ステップＳ２２で加速判定値ΔTPS β、定常判定値ΔNeβが選択される。加速判定値ΔTPS β、定常判定値ΔNeβは通常の値に設定されているため、加速時には通常の状態で運転モードが非リーンモードに変更されると共に、定常状態になる時に通常の状態でリーンモードに変更される。
【００４２】
上述したように、本実施形態例の筒内噴射エンジン１では、リーン頻度が目標リーン頻度より大きいと判断された場合、小さな値に設定された加速判定値ΔTPS α、定常判定値ΔNeαが選択され、加速時に運転モードが非リーンモードに変更されるのが早められると共に、定常状態になる時にリーンモードに変更されるのが遅くされる。これにより、運転操作の癖等により加速状態と判定されにくい操作を行なう運転者の場合であっても、加速時には非リーンモードに変更されるようにすると共に、定常状態に移行する時には非リーンモードが長くなる。
【００４３】
また、本実施形態例の筒内噴射エンジン１では、リーン頻度が目標リーン頻度より小さいと判断された場合、大きな値に設定された加速判定値ΔTPS γ、定常判定値ΔNeγが選択され、加速時に運転モードが非リーンモードに変更されるのが遅くされると共に、定常状態になる時にリーンモードに変更されるのが早められる。これにより、運転操作の癖等により加速状態と判定されやすい操作を行なう運転者の運転であっても、加速時には非リーンモードに変更され難くすると共に、定常状態に移行する時には非リーンモードが短縮され、ある程度の頻度でリーン運転が確保され、燃費の更なる向上が図れる。
【００４４】
尚、上述した実施形態例では、リーン頻度を算出する際に、水温WTがリーン運転許可水温WTL を越え、しかも、現在の運転領域がリーン領域である時にリーン領域タイマ７３をＯＮにしてカウントを開始するようにしたが、水温WTがリーン運転許可水温WTL を越えた時点で（図７中Ａ点）リーン領域タイマ７３をＯＮにしてカウントを開始するようにしてもよい。また、リーン領域タイマ７３をＯＮにする条件としては、排気マニホールド３２に取り付けられているO2センサ３４の出力情報を用いることも可能である。
【００４５】
また、上記実施形態例では、加速判定値としてスロットル弁開度の変化率を用いたが、アクセルペダルの開速度を用いてもよく、これらに限らず、運転者の加速要求に相関するパラメータであれば他のパラメータを使用してもよい。また、内燃機関として燃焼室５内に燃料を直接噴射する筒内噴射エンジン１に本発明を適用して説明したが、吸気管に燃料を噴射する内燃機関に本発明を適用することも可能であり、また、４気筒の筒内噴射エンジン１に限らず、単気筒エンジンやＶ型６気筒エンジンに本発明を適用することも可能である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の希薄燃焼内燃機関は、希薄燃焼運転頻度算出手段により希薄燃焼運転の頻度を算出し、算出された希薄燃焼運転頻度と予め設定された設定希薄燃焼運転頻度とを比較手段で比較し、設定希薄燃焼運転頻度よりも算出された希薄燃焼運転頻度が小さいと判断された場合には加速判定値変更手段により加速判定値を大きくするようにしたので、非希薄燃焼運転に変更し難くして希薄燃焼運転頻度を大きくすることができる。この結果、運転者の癖や走行状況に影響されることなく希薄燃焼運転頻度を増加させ、更なる燃費の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る希薄燃焼内燃機関としての多気筒型筒内噴射内燃機関の概略構成図。
【図２】燃料噴射制御マップ。
【図３】制御ブロック構成図。
【図４】リーンモード判定状況のフローチャート。
【図５】リーン頻度の算出と及び加速判定値設定制御のフローチャート。
【図６】リーン頻度の算出と及び加速判定値設定制御のフローチャート。
【図７】リーン領域タイマ及びリーンタイマの作動状況を表すタイムチャート。
【符号の説明】
１  多気筒型筒内噴射内燃機関（筒内噴射エンジン）
２  シリンダヘッド
４  燃料噴射弁
５  燃焼室
６１  ＥＣＵ
７１  加速判定手段
７２  運転モード変更手段
７３  リーン領域タイマ
７４  リーン運転タイマ
７５  算出手段
７６  比較手段
７７  変更手段
【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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