(57)【要約】【課題】圧縮着火式内燃機関において、各気筒の燃焼状態を安定に制御する手法を提供する。【解決手段】圧縮着火燃焼方式で運転可能な複数の気筒を有する内燃機関において、各気筒毎の排気温度を検出する手段と、前記排気温度に基づいて、全ての気筒の筒内温度が一定になるように各気筒毎に運転パラメータを設定する運転パラメータ設定手段と、を備える制御装置を提供する。各気筒毎の排気温度に基づいて運転パラメータを気筒別に設定するので、気筒間の放熱特性や燃焼特性のばらつきにかかわらず筒内温度を一定にでき、各気筒とも安定した圧縮着火燃焼を行うことができる。【選択図】図３
2004316545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮着火燃焼方式で運転可能な複数の気筒を有する内燃機関の制御装置であって、
各気筒毎の排気温度を検出する手段と、
前記排気温度に基づいて、全ての気筒の筒内温度が一定になるように各気筒毎に運転パラメータを設定する運転パラメータ設定手段と、
を備える圧縮着火式内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関の運転状態に基づいて各気筒毎に目標排気温度を設定する手段を備え、
前記運転パラメータ設定手段は、前記目標排気温度と前記検出された排気温度との差分から各気筒毎に学習値を算出し、該学習値に基づいて前記運転パラメータを設定するよう構成されている、請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記運転パラメータは、各気筒毎に設けられた吸気弁及び排気弁の開閉タイミングであり、
設定された運転パラメータに応じて、前記吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング手段をさらに備える、請求項１または２に記載の圧縮着火式内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記運転パラメータは、各気筒毎に設けられた燃料噴射弁の燃料噴射時期であり、
設定された運転パラメータに応じて、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を変更する燃料噴射時期変更手段をさらに備える、請求項１または２に記載の圧縮着火式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、圧縮着火式内燃機関において筒内温度を気筒毎に制御する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、火花点火を用いずに、予混合気を圧縮することによって自着火を起こさせる圧縮着火燃焼を行う内燃機関が知られている。このような圧縮着火式内燃機関は圧縮比が高いため燃料効率が良く、また均質リーン燃焼であるため燃焼温度が低くＮＯｘ等の有害物質の発生を比較的抑制することができる。しかしその反面、例えば低負荷側では失火しやすく高負荷側ではノッキングを起こしやすい等、着火条件が厳しいため、運転状態に応じて運転パラメータを高精度に制御する必要がある。なかでも、燃焼は筒内温度（筒内圧力）に大きく依存しているので、より安定した燃焼のためには、ＥＧＲ量や燃料噴射時期を正確に制御する必要がある。例えば、特許文献１では、排気温度センサにより検出した排気温度に応じてバルブタイミング（マイナスオーバーラップによるＥＧＲ量）及び該バルブタイミングに応じた燃料噴射時期の算出を行っている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３２３８２８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術においては複数気筒に対する制御については開示されていない。すなわち、すべての気筒にて筒内温度を同様にしようとする場合には、冷却性能や吸排気ポート形状の違いなどにより、制御量を同一にしても同じ筒内温度が得られるとは限らない。従って、筒内温度が不適切な気筒においては、安定した圧縮着火燃焼ができず、最悪の場合には失火にいたり、ドライバビリティの悪化やエミッション性能の悪化の原因となる。
【０００５】
従って、圧縮着火式内燃機関において、各気筒の燃焼状態を安定に制御する手法が必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態（請求項１）は、圧縮着火燃焼方式で運転可能な複数の気筒を有する内燃機関の制御装置であって、各気筒毎の排気温度を検出する手段と、前記排気温度に基づいて、全ての気筒の筒内温度が一定になるように各気筒毎に運転パラメータを設定する運転パラメータ設定手段と、を備える圧縮着火式内燃機関の制御装置である。
【０００７】
この形態によると、各気筒毎の排気温度に基づいて運転パラメータを気筒別に設定するので、気筒間の放熱特性や燃焼特性のばらつきにかかわらず筒内温度を一定にでき、各気筒とも安定した圧縮着火燃焼を行うことができる。
【０００８】
本発明の別の形態（請求項２）では、内燃機関の運転状態に基づいて各気筒毎に目標排気温度を設定する手段を備え、前記運転パラメータ設定手段は、前記目標排気温度と前記検出された排気温度との差分から各気筒毎に学習値を算出し、該学習値に基づいて前記運転パラメータを設定するよう構成されている。
【０００９】
本発明のさらに別の形態（請求項３）では、運転パラメータは各気筒毎に設けられた吸気弁及び排気弁の開閉タイミングであり、設定された運転パラメータに応じて吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング手段をさらに備える。この形態では、各気筒毎にバルブタイミングを変更することにより筒内温度に与える影響の大きい内部ＥＧＲを個別に制御する。
【００１０】
本発明のさらに別の形態（請求項４）では、運転パラメータは各気筒毎に設けられた燃料噴射弁の燃料噴射時期であり、設定された運転パラメータに応じて燃料噴射弁の燃料噴射時期を変更する燃料噴射時期変更手段をさらに備える。
【００１１】
なお、運転状態の検出には、アクセルペダルの開度を検出する方式または内燃機関の要求トルクを算出する方式の何れかを使用することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００１３】
図１は本発明の一実施形態である内燃機関の概略構成図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、予混合圧縮着火（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼（以下「ＨＣＣＩ燃焼」という）と火花点火（Ｓｐａｒｋ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼（以下「ＳＩ燃焼」という）の２つの燃焼方式で運転可能な直列４気筒タイプのエンジン（図１には、一気筒のみを示す）である。  エンジン１は、ピストン１ａ及びシリンダ１ｂを備えており、ピストンとシリンダヘッドの間には燃焼室１ｃが形成されている。燃焼室１ｃには点火プラグ１８が取り付けられている。点火プラグ１８は、ＳＩ燃焼の実行時に、電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という。ＥＣＵの構成については後述する）５からの駆動信号により放電される。
【００１４】
エンジン１の各気筒には吸気弁１７と排気弁１９とが設けられており、それぞれ吸気管２から燃焼室１ｃへの吸気、または燃焼室１ｃから排気管１４への排気を制御する。吸気弁１７と排気弁１９は好適には電磁バルブであり、ＥＣＵ５からの信号に応じて駆動される。ＥＣＵ５は、各種センサにより検出されたエンジン回転数、吸気温、エンジン水温などに応じて吸気弁１７と排気弁１９の開閉タイミングを変化させて、運転条件に応じた最適なバルブタイミングを実現する。吸気弁１７と排気弁１９の制御により、内部排出ガス還流（ＥＧＲ）量を調節して燃焼温度を調節するとともに、排気中に含まれるＮＯｘ濃度を低下させることができる。
【００１５】
吸気管２の途中には吸気管内を流れる空気の流量を調節する吸気絞り弁（ＤＢＷ：Ｄｒｉｖｅ  Ｂｙ  Ｗｉｒｅ）３が設けられ、開度θＴＨを制御するためのアクチュエータ（図示せず）に連結されている。アクチュエータはＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５からの信号によって吸気絞り弁開度θＴＨ、すなわち吸気量を変化させる。吸気絞り弁３は、エンジン１がＳＩ燃焼を実行するときにはアクセルペダルの開度に応じた開度にされ、ＨＣＣＩ燃焼を実行するときには略全開に設定される。
【００１６】
吸気管２の吸気絞り弁３より下流側には、吸気圧センサ８及び吸気温センサ９が取り付けられており、それぞれ吸気官内の圧力ＰＢ及び温度ＴＡを検出して、その信号をＥＣＵ５に送る。
【００１７】
さらに、アクセルペダルの踏込み量を検出するアクセル開度センサ２１も設けられており、アクセルペダル開度ＡＣＣを検出してその信号をＥＣＵ５に送る。
【００１８】
また、吸気管２には、各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。燃料噴射弁６は燃料供給ポンプ（図示せず）に接続されている。エンジン１への燃料供給量は、ＥＣＵ５からの駆動信号により燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを制御することによって決定される。
【００１９】
エンジンのクランクシャフト（図示せず）にはクランク角センサが取り付けられている。クランク角センサは、クランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＴＤＣ信号を出力する。ＴＤＣ信号は、各シリンダにおけるピストンの吸気行程開始時の上死点位置付近の所定タイミングで発生するパルス信号であり、クランクシャフトが１８０°回転する毎に１パルスが出力される。またエンジンには回転数センサ１３も取り付けられており、エンジン回転数ＮＥを検出してその信号をＥＣＵ５に送る。
【００２０】
排気管１４には各気筒毎の排気温度を検出する温度センサ２０が設けられており、検出した温度を信号に変換してＥＣＵ５に送る。
【００２１】
排気管１４を通過した排気は、排気浄化装置１５に流入する。排気浄化装置１０にはＮＯｘ吸着触媒（ＬＮＣ）等が備えられる。排気浄化装置１５の上流側には、排気の広範囲の空燃比に渡ってそれに比例したレベルの出力を生成する空燃比センサ（以下、「ＬＡＦセンサ」という）１６が設けられる。このセンサの出力は、ＥＣＵ５に送られる。
【００２２】
ＥＣＵ５は、各種制御プログラムを実行するＣＰＵ５ａ、実行時に必要なプログラムおよびデータを一時記憶して演算作業領域を提供するＲＡＭやプログラムおよびデータを格納するＲＯＭからなるメモリ５ｂ、各種センサからの入力信号を処理する入力インターフェース５ｃ、及び各部に制御信号を送る出力インターフェース５ｄなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。
【００２３】
ＥＣＵ５は、各センサの入力に基づいて要求トルクＰＭＥＣＭＤを算出する。要求トルクＰＭＥＣＭＤは、アクセルペダルストロークと車速により目標駆動力を演算し、これに、シフト位置やギヤ比、トルクコンバータ効率などを考慮して算出される。これについては、特開平１０−１９６４２４号公報などに記載されている。
【００２４】
続いてＥＣＵ５は、要求トルクに対応した基本燃料噴射量を算出し、さらに燃料を噴射する時期を決定する。またＥＣＵ５は、各センサの入力に基づいて、エンジン１の運転状態を判別し、ＲＯＭに記憶された制御プログラム等に従って、点火プラグ１８の点火時期や吸気絞り弁３の開度θＴＨ等を演算する。ＥＣＵ５は、演算結果に応じた駆動信号を出力インタフェース５ｄを介して出力し、吸気絞り弁３、燃料噴射弁６、点火プラグ１８、吸気弁１７及び排気弁１９等を制御する。これによって、エンジン１の燃焼方式をＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼の間で切り替えることができる。
【００２５】
運転状態は、ＥＣＵ５内のＲＯＭに格納されたマップを参照して、エンジン１の回転数ＮＥ及び要求トルクＰＭＥＣＭＤを用いて、エンジン１がＨＣＣＩ燃焼を行うべき運転領域（以下、「ＨＣＣＩ運転領域」という）にあるか、または、ＳＩ燃焼を行うべき運転領域（以下、「ＳＩ運転領域」という）にあるかによって判別される。このマップの例を図２に示す。基本的には、エンジン回転数ＮＥが高く、エンジン負荷が高い領域をＨＣＣＩ運転領域とし、低温始動時や低負荷運転時及び高負荷運転時をＳＩ運転領域としている。
【００２６】
圧縮着火燃焼を実施できる気筒内温度の範囲は限られているため、圧縮着火燃焼を安定して行うには精密な温度制御が必要である。しかし、エンジン１の各気筒毎に燃焼ポートやバルブの形状が異なる等の理由により放熱特性や燃焼特性が異なるので、全ての気筒で同様の制御を行ったとしても同一の温度にはならない。従って、各気筒の温度をそれぞれ制御してやることが必要となる。本発明では、以下のようにして、各気筒毎の温度制御を実現している。
【００２７】
〔実施例１〕
この実施例では、計測した排気温度に基づいてバルブタイミングを気筒毎に調整することで各気筒の気筒内温度を所望の値に制御する。以下、図３のフローチャートを参照して実施例１を説明する。
【００２８】
まず、クランク信号ＴＤＣから各気筒が運転サイクルのどのステージにあるかを判別し、どの気筒のバルブタイミングを調整するかを決定する（Ｓ３１）。続いて、アクセルペダル開度ＡＣＣから図４のテーブルを検索して、エンジン１に要求されているトルクＰＭＥＣＭＤを求める（Ｓ３２）。さらに、要求トルクＰＭＥＣＭＤから図５に示すテーブルを検索して、目標排気温度ＴＥＸＣＭＤを求める（Ｓ３３）。また、目標排気温度ＴＥＸＣＭＤを用いて図６及び図７に示すテーブルを検索して、排気弁の基本進角量ＶＴＣＭＤＥＸと、吸気弁の基本遅角量ＶＴＣＭＤＩＮを求める（Ｓ３４）。
【００２９】
基本進角量ＶＴＣＭＤＥＸと基本遅角量ＶＴＣＭＤＩＮについて、図８を参照して説明する。図８は、クランク角度とバルブリフト量の関係を示す図である。図示するように、排気弁の開時期と吸気弁の閉時期はともに固定されている。排気弁の基本進角量ＶＴＣＭＤＥＸは、閉時期のＴＤＣからの遅角量を表し、吸気弁の基本遅角量ＶＴＣＭＤＩＮは、開時期のＴＤＣからの進角量を表している。これらを変更することで、内部ＥＧＲ量を制御することができる。代替として、排気弁または吸気弁のどちらか一方のみのタイミングを変更しても良い。
【００３０】
次に、Ｓ３１で判別された制御対象の気筒の排気温度ＴＥＸ（ｉ）を排気温度センサ２０により検出する（Ｓ３５）。代替として、エンジン１の現在の運転状態から排気温度を推定しても良い。そして、排気温度ＴＥＸ（ｉ）とＳ３３で求めた目標排気温度ＴＥＸＣＭＤとの偏差ＴＥＸＤ（ｉ）を算出する（Ｓ３６）。
【００３１】
【数１】
2004316545.tif 000003
【００３２】
制御対象の気筒についてのバルブタイミングの学習量ＶＴＳＴＵＤＹ（ｉ）を次式により算出する（Ｓ３７）。
【００３３】
【数２】
2004316545.tif 000004
ここで、ｋ及びｃは予め実験またはシミュレーションにより決定される定数であり、ｉは気筒番号である（本実施例では、ｉ＝１〜４）。
【００３４】
次サイクルの排気弁及び吸気弁のバルブタイミング出力値ＶＴＥＸ（ｉ）、ＶＴＩＮ（ｉ）を、次式により算出する（Ｓ３８）。
【００３５】
【数３】
2004316545.tif 000005
つまり、検出された実際の排気温度ＴＥＸ（ｉ）が目標排気温度ＴＥＸＣＭＤより小さい場合は、排気弁の閉時期をより早く、吸気弁の開時期をより遅くし、内部ＥＧＲ量が多くなるように制御し、一方、検出された実際の排気温度ＴＥＸ（ｉ）が目標排気温度ＴＥＸＣＭＤより大きい場合は、排気弁の閉時期をより遅く、吸気弁の開時期をより早くし、内部ＥＧＲ量が少なくなるように制御する。これによって、筒内温度に与える影響の大きい内部ＥＧＲ量が各気筒毎に個別に制御されるので、気筒毎の特性のばらつきにかかわらず筒内温度が一定になる。
【００３６】
〔実施例２〕
この実施例では、計測した排気温度に基づいて燃料噴射時期を気筒毎に調整することで各気筒の気筒内温度を所望の値に制御する。以下、図９のフローチャートを参照して実施例２を説明する。
【００３７】
Ｓ４１〜Ｓ４３は、実施例１と同様である。Ｓ４４で、目標排気温度ＴＥＸＣＭＤから図１０に示すテーブルを検索して、燃料噴射弁６の基本噴射時期ＩＮＪＣＭＤを求める。
【００３８】
そして、制御対象の気筒の排気温度ＴＥＸ（ｉ）を排気温度センサ２０により検出するか、またはエンジン１の現在の運転状態から推定する（Ｓ４５）。そして、排気温度ＴＥＸ（ｉ）と目標排気温度ＴＥＸＣＭＤとの偏差ＴＥＸＤ（ｉ）を算出する（Ｓ４６）。
【００３９】
【数４】
2004316545.tif 000006
【００４０】
制御対象の気筒についての燃料噴射時期の学習量ＩＮＪＳＴＵＤＹ（ｉ）を次式により算出する（Ｓ４７）。
【００４１】
【数５】
2004316545.tif 000007
ここで、ｋ及びｃは予め実験またはシミュレーションにより決定される定数であり、ｉは気筒番号である（本実施例では、ｉ＝１〜４）。
【００４２】
次サイクルの燃料噴射時期θＩＮＪ（ｉ）を、次式により算出する（Ｓ４８）。
【００４３】
【数６】
2004316545.tif 000008
つまり、検出された実際の排気温度ＴＥＸ（ｉ）が目標排気温度ＴＥＸＣＭＤより小さい場合は、燃料噴射時期がより遅くなるように制御し、一方、検出された実際の排気温度ＴＥＸ（ｉ）が目標排気温度ＴＥＸＣＭＤより小さい場合は、燃料噴射時期がより早くなるように制御する。これによって、筒内温度に与える影響の大きい燃料噴射時期が各気筒毎に個別に制御されるので、気筒毎の特性のばらつきにかかわらず筒内温度が一定になる。
【００４４】
以上実施例１及び２について別々に説明したが、バルブタイミングの制御と燃料噴射制御を同時に行うこともできる。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態について述べたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では直列４気筒エンジンについて説明したが、気筒数の異なるエンジンにも本発明を適用できる。また、本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンの制御にも適用できる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、バルブタイミングまたは燃料噴射時期を各気筒毎に個別に制御するので、気筒毎の放熱特性や燃焼特性のばらつきにかかわらず全気筒の筒内温度を一定にでき、各気筒とも安定した圧縮着火燃焼を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の概略構成図である。
【図２】圧縮着火燃焼と火花点火燃焼の運転領域を示す図である。
【図３】バルブタイミングを変更して各気筒毎の温度制御を実施する一実施例のフローチャートである。
【図４】アクセルペダル開度と要求トルクの関係を示すテーブルである。
【図５】要求トルクと目標排気温度の関係を示すテーブルである。
【図６】目標排気温度と排気弁の進角の関係を示すテーブルである。
【図７】目標排気温度と吸気弁の遅角の関係を示すテーブルである。
【図８】吸気弁と排気弁のバルブタイミングを説明する図である。
【図９】燃料噴射時期を変更して各気筒毎の温度制御を実施する一実施例のフローチャートである。
【図１０】目標排気温度と燃料噴射時期の関係を示すテーブルである。
【符号の説明】
１    内燃機関（エンジン）
２    吸気管
３    吸気絞り弁
５    電子制御装置（ＥＣＵ）
６    燃料噴射弁
１７    吸気弁
１８    点火プラグ
１９    排気弁
２１    アクセルペダル
【図１】
2004316545.tif 000009
【図２】
2004316545.tif 000010
【図３】
2004316545.tif 000011
【図４】
2004316545.tif 000012
【図５】
2004316545.tif 000013
【図６】
2004316545.tif 000014
【図７】
2004316545.tif 000015
【図８】
2004316545.tif 000016
【図９】
2004316545.tif 000017
【図１０】
2004316545.tif 000018