(57)【要約】【課題】暖機時間を短縮して排気浄化を効果的に行い、かつ内燃機関を常に安定して運転することができる内燃機関の制御装置を供する。【解決手段】火花点火運転モードと２ストロークサイクル圧縮着火運転モードと４ストロークサイクル圧縮着火運転モードのいずれの運転モードでも運転可能な内燃機関において、該内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段２１，２２と、内燃機関の運転状態に応じて３つの運転モードを切り換えて該内燃機関を運転制御する制御手段３０とを備え、制御手段３０は、該内燃機関を、始動時に火花点火運転モードで制御し、始動後より機関水温の上昇が所定温度に至るまでは２ストロークサイクル圧縮着火運転モードで制御し、機関水温が前記所定温度を越えると４ストロークサイクル圧縮着火運転モードで制御する内燃機関の制御装置。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火運転モードと２ストロークサイクル圧縮着火運転モードと４ストロークサイクル圧縮着火運転モードのいずれの運転モードでも運転可能な内燃機関において、
該内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段が検出した該内燃機関の運転状態に応じて前記３つの運転モードを切り換えて該内燃機関を運転制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、該内燃機関を、始動時に火花点火運転モードで制御し、始動後より機関水温の上昇が所定温度に至るまでは２ストロークサイクル圧縮着火運転モードで制御し、機関水温が前記所定温度を越えると４ストロークサイクル圧縮着火運転モードで制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火運転と圧縮着火運転のいずれの運転モードでも運転可能な内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関に供給される混合気を圧縮着火（圧縮自己着火）により燃焼させる圧縮着火運転によれば、圧縮比が高いため燃費が良く、空燃比がリーンな状態でも比較的安定した燃焼を実現し、しかも燃焼温度が比較的低いので、ＮＯｘの発生量を低減することができる。
【０００３】
しかし内燃機関の始動時などで安定した圧縮着火運転を行うことは困難なので、機関の運転状態に応じて圧縮着火運転と火花点火運転とを切り換えるように内燃機関を制御する例がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−８７７４９号公報
【０００５】
特許文献１には、４ストロークサイクル型の自動車用ガソリン内燃機関において、機関水温が設定値以上であるか否かを判断し、設定値未満であれば火花点火運転とし、設定値以上となると圧縮着火運転に切り換える制御技術が開示されている。
【０００６】
始動直後などの機関水温が低い状態では、燃焼室内のガス温度が圧縮行程の後期になっても十分高くならず自己着火を起こすに至らず失火するおそれがあるが、かかる状態のときは火花点火運転とし、機関水温が設定値を越える安定した運転状態となったときに圧縮着火運転とすることで、常に内燃機関を安定して運転させようとするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし４ストロークサイクルで運転を行う場合、熱の発生は機関の２回転に対して１回の燃焼によるもので冷却時間の割合が、２ストロークサイクルの運転に比べて大きい。
【０００８】
したがって、始動直後の暖機運転中に４ストロークサイクル運転を続けても急速な暖機は望めず、排気触媒の活性化までの昇温に時間を要して排気浄化に不利となる。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的とする処は、暖機時間を短縮して排気浄化を効果的に行い、かつ内燃機関を常に安定して運転することができる内燃機関の制御装置を供する点にある。
【課題を解決するための手段及び作用効果】
上記目的を達成するために、本発明は、火花点火運転モードと２ストロークサイクル圧縮着火運転モードと４ストロークサイクル圧縮着火運転モードのいずれの運転モードでも運転可能な内燃機関において、該内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段が検出した該内燃機関の運転状態に応じて前記３つの運転モードを切り換えて該内燃機関を運転制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、該内燃機関を、始動時に火花点火運転モードで制御し、始動後より機関水温の上昇が所定温度に至るまでは２ストロークサイクル圧縮着火運転モードで制御し、機関水温が前記所定温度を越えると４ストロークサイクル圧縮着火運転モードで制御する内燃機関の制御装置とした。
【００１０】
始動時には火花点火運転モードで内燃機関を運転することで、失火を回避して安定した運転を行い、始動後は２ストロークサイクル圧縮着火運転モードで内燃機関を運転することで、暖機時間を短縮し排気浄化を効果的に行い、機関水温が所定温度を越えると４ストロークサイクル圧縮着火運転モードで内燃機関を運転することで、燃料量の多い高負荷状態で安定した圧縮着火を４ストロークサイクルで実現でき、燃費の向上とともに全ての運転状態で内燃機関を常に安定して運転することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係る一実施の形態について図１ないし図５に基づき説明する。
本実施の形態に係る内燃機関１は、火花点火（ＳＩ：Ｓｐａｒｋ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼方式による運転（火花点火運転）と、圧縮着火（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｃｈａｒｇｅ    Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼方式による運転（圧縮着火運転）の燃焼方式の異なる運転がともに可能である多気筒内燃機関（単気筒でもよい）である。
【００１２】
図１は、該内燃機関１の概略構成図であり、シリンダ２内をピストン３が往復動し、シリンダ２内を閉塞するシリンダヘッドとピストン３との間に燃焼室４が構成されている。
【００１３】
燃焼室４からポートを介して吸気通路５と排気通路６が延出しており、吸気ポートの燃焼室４に臨む開口には吸気弁７、排気ポートの燃焼室４に臨む開口には排気弁８が配設されており、燃焼室４への吸気を制御する吸気弁７と燃焼室４からの排気を制御する排気弁８はともに電磁バルブである。
【００１４】
その他に燃焼室４には点火プラグ９が取り付けられるとともに、直接燃焼室４内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０が取り付けられている。
【００１５】
点火プラグ９は、火花点火運転時に駆動され放電により燃焼室４内の混合気に点火する。
燃料噴射弁１０は図示されない燃料供給ポンプに接続されて制御されたタイミングで制御された時間燃料を燃焼室４内に噴射する。
【００１６】
吸気通路５には吸気流量を調節するスロットル弁１１が介装されており、スロットル弁１１はアクチュエータ（図示せず）により駆動され、運転状態に応じてスロットル弁開度が制御される。
【００１７】
排気通路６には排気浄化装置１２が介装され、排気浄化装置１２にはＮＯｘ吸着触媒（ＬＮＣ）が用いられている。
【００１８】
概ね以上のような構造の内燃機関１の運転状態を検出する各種センサが各所に設けられている。
内燃機関１のクランク軸の回転数（機関回転数）Ｎｅを検出する回転数センサ２１、内燃機関１の冷却水の温度（機関水温）Ｔｗを検出する水温センサ２２が、内燃機関１本体に設けられている。
【００１９】
吸気通路５には、スロットル弁１１にスロットル弁開度Ｔｈを検出するスロットルセンサ２３が設けられるとともに、スロットル弁１１の下流側に吸気通路５内の吸気負圧Ｐｂを検出する吸気圧センサ２４および吸気通路５内の吸気温度Ｔａを検出する吸気温センサ２５が設けられている。
【００２０】
排気通路６には、排気浄化装置１２の上流側に排気の広範囲の空燃比に亘ってそれに比例したレベルの出力を得る空燃比センサ（ＬＡＦ）２６および排気温度Ｔｅを検出する排気温センサ２７が設けられている。
【００２１】
以上の回転数センサ２１，水温センサ２２，スロットルセンサ２３，吸気圧センサ２４，吸気温センサ２５等の各種センサからの検出信号は、電子制御ユニットＥＣＵ３０に入力され、コンピュータにより処理されて、吸気弁７，排気弁８，点火プラグ９，燃料噴射弁１０，スロットル弁１１等の駆動制御に供される。
【００２２】
本内燃機関１は、以上のような構成において火花点火運転と圧縮着火運転が可能であるとともに、４ストロークサイクル運転と２ストロークサイクル運転が可能であり、これらの組み合わせにより４ストロークサイクル火花点火運転モードと２ストロークサイクル圧縮着火運転モードと４ストロークサイクル圧縮着火運転モードの３つの運転モードをＥＣＵ３０により切り換え制御されるようになっている。
【００２３】
ＥＣＵ３０による内燃機関１の運転モードの切り換え制御における制御系の概略ブロック図を図２に示す。
ＥＣＵ３０には、運転モード判定手段３１と駆動制御手段３２とを備える。
【００２４】
運転モード判定手段３１には前記回転数センサ２１の検出した機関回転数Ｎｅと水温センサ２２の検出した機関水温Ｔｗが入力され、機関回転数Ｎｅと機関水温Ｔｗに基づいて運転モードを判定する。
【００２５】
駆動制御手段３２は、運転モード判定手段３１の判定結果に基づいて制御信号を内燃機関１の各機構に出力する。
すなわち吸気弁７と排気弁８の弁開閉を行う可動弁機構４１、点火プラグ９の放電を行う点火機構４２、燃料噴射弁１０の弁開閉を行う燃料噴射機構４３、スロットル弁１１の駆動を行うスロットル弁駆動機構４４が、制御信号により駆動制御される。
【００２６】
運転モード判定手段３１による運転モードの判定手順を図３に示すフローチャートに従って説明する。
まずステップ１で内燃機関１が始動後完爆したと判断できる所定回転数Ｎ１に機関回転数Ｎｅが達したか否かを判別する。
【００２７】
機関回転数Ｎｅが所定回転数Ｎ１に至るまでのスタータクランキング状態では、ステップ３に飛んで４ストロークサイクル火花点火運転モードと判定する。
機関回転数Ｎｅが所定回転数Ｎ１を越え内燃機関１が完爆してアイドリング状態となると、ステップ２に進み、機関水温Ｔｗが所定水温Ｔ１を越えたか否かを判別する。
【００２８】
内燃機関１が完爆後、暖機により機関水温Ｔｗが昇温して所定水温Ｔ１になるまでは、ステップ４に飛んで、２ストロークサイクル圧縮着火運転モードと判定する。
【００２９】
そして機関水温Ｔｗが所定水温Ｔ１を越えると、ステップ２からステップ５に飛んで、４ストロークサイクル圧縮着火運転モードと判定する。
以上のように内燃機関１の運転状態に応じて運転モードが切り換え制御される。
【００３０】
圧縮自己着火を起こさせるためには、燃焼室４内のガス温度を所定の温度以上に高める必要があり、一般的に吸気加熱や内部ＥＧＲ（排気再循環）等が利用され、本実施の形態では内部ＥＧＲにより圧縮着火運転を行う。
【００３１】
内燃機関１の始動時における燃焼室４内のガス温度が所定の温度より低い低負荷運転時には、ピストン３の上死点付近でも着火温度に達せず失火してしまうので、燃焼室４内のガス温度が所定の温度を越えて内燃機関１が完爆するまでは４ストロークサイクル火花点火運転モードとして点火機構４２が駆動制御され点火プラグ９の放電により確実に点火するようにしている。
【００３２】
なお、ここで４ストロークサイクル火花点火運転としているが、２ストロークサイクル火花点火運転としてもよい。
完爆した後は、内燃機関１は燃焼室４内のガス温度は圧縮着火が可能な状態となっており、２ストロークサイクル圧縮着火運転モードに切り換えられて運転される。
【００３３】
２ストロークサイクル圧縮着火運転モードでは、可動弁機構４１，燃料噴射機構４３が制御されて図４に示すタイミングで吸気弁７，排気弁８が弁開閉し、燃料噴射弁１０が燃料を噴射させる。
【００３４】
すなわち図４を参照して２ストロークサイクル圧縮着火運転モードでは、通常膨張・排気行程半ばくらいから排気弁８を開き排気を開始し、その直後にはシリンダ圧力が下がるので吸気弁７を開く。
燃焼ガスが排気ポートへと流れ、かつピストン３が下降（膨張）しているので、吸気ポートから新気が流れ込んでくる。
【００３５】
吸気・圧縮行程になってもその勢いが続き、新気が排気を押し出す（新気も一部排出される）。
吸気弁７および排気弁８を早く閉じることにより、ガス交換を途中で止めることになり、ＥＧＲ量を増すことができ燃焼室内温度を上げ圧縮着火を容易にする。
【００３６】
吸気弁７および排気弁８が閉じた辺りで、燃料噴射弁１０が燃料を噴射する。
燃焼室４内は、燃料が噴射されＥＧＲによりガス温度が上昇しているところに断熱圧縮により自己着火燃焼が起こる。
【００３７】
２ストロークサイクルで運転を行う場合、熱の発生は機関の１回転に対して１回の燃焼によるもので冷却時間の割合が、４ストロークサイクルの運転に比べて小さく、その分熱の発生効率が高く、暖機に要する時間が短くてすむ。
【００３８】
そしてこの急速な暖機により、排気浄化装置１２のＮＯｘ吸着触媒（ＬＮＣ）の活性化までの昇温が早まり、排気浄化を効果的に機能させることができる。
【００３９】
また２ストロークサイクル運転は、１回転ごとの燃焼によりトルク変動が少なく失火の無い安定した運転が可能であり、仮に失火したとしても４ストロークサイクル運転に比べて次の燃焼までの時間が短いためリカバリーが可能で、失火による機関停止は少ない。
【００４０】
このように２ストロークサイクル圧縮着火運転モードで暖機運転し、暖機が完了し安定走行運転領域に入る時期には、機関水温Ｔｗが上昇して所定水温Ｔ１を越え、４ストロークサイクル圧縮着火運転モードに切り換えられる。
【００４１】
４ストロークサイクル圧縮着火運転モードでは、可動弁機構４１，燃料噴射機構４３が制御されて図５に示すタイミングで吸気弁７，排気弁８が弁開閉し、燃料噴射弁１０が燃料を噴射させる。
【００４２】
すなわちＥＧＲを利用しない通常の火花点火運転では排気行程で排気弁を開いて燃焼したガスを全て排気するが、４ストロークサイクル圧縮着火運転モードでは、図５を参照して排気行程における排気弁８の閉タイミングまたは吸気行程における吸気弁７の開タイミングを変更して、燃焼したガスを全て排気せず一部燃焼室４内に閉じ込めることで、内部ＥＧＲ量を制御して４ストロークサイクルの圧縮着火を行う。
【００４３】
４ストロークサイクル圧縮着火運転モードにおいては、機関回転数に対する軸トルクの変化が滑らかで、広い運転域において安定的かつ良性能を得ることができる。
【００４４】
始動後完爆までを火花点火運転モードとし、完爆後は２ストロークサイクルと４ストロークサイクルの圧縮着火運転モードとして、できるだけ広い運転領域で圧縮着火燃焼を実現することで、燃費の向上を図るとともに、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量の抑制を図ることができる。
【００４５】
窒素酸化物の排出量の抑制は、前記暖機時間の短縮により排気浄化装置１２を効果的に機能させることと合わせて、排気浄化を益々促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る内燃機関の概略構成図である。
【図２】同内燃機関の運転モードの切り換え制御における制御系の概略ブロック図である。
【図３】運転モードの判定手順を示すフローチャートである。
【図４】２ストロークサイクル圧縮着火運転モードにおけるバルブタイミングを示す説明図である。
【図５】４ストロークサイクル圧縮着火運転モードにおけるバルブタイミングを示す説明図である。
【符号の説明】
１…内燃機関、２…シリンダ、３…ピストン、４…燃焼室、５…吸気通路、６…排気通路、７…吸気弁、８…排気弁、９…点火プラグ、１０…燃料噴射弁、１１…スロットル弁、１２…排気浄化装置、
２１…回転数センサ、２２…水温センサ、２３…スロットルセンサ、２４…吸気圧センサ、２５…吸気温センサ、２６…空燃比センサ（ＬＡＦ）、２７…排気温センサ、
３０…ＥＣＵ、３１…運転モード判定手段、３２…駆動制御手段、４１…可動弁機構、４２…点火機構、４３…燃料噴射機構、４４…スロットル弁駆動機構。
【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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