(57)【要約】【課題】予混合圧縮着火を実施するガソリンエンジンにおいて、予混合圧縮着火から火花点火に切り替える場合に、予混合圧縮着火による成層燃焼を実施すると排気ガスに含まれるＮＯｘの量が増加することになった。【解決手段】可変動弁装置により排気上死点近傍において排気弁と吸気弁との両方が閉じる負のオーバーラップ期間を形成して予混合圧縮着火を実施し、負のオーバーラップ期間を多くとも予混合圧縮着火の場合より短く形成して火花点火を実施するようにガソリンエンジンの運転を制御するガソリンエンジンの運転制御方法であって、負のオーバーラップ期間を短縮し、負のオーバーラップ期間内に燃料を噴射し、火花点火による成層燃焼が可能なバルブタイミングとなった場合に火花点火を開始する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、吸気弁と排気弁との開弁タイミングと閉弁タイミングとを連続的に変更する可変動弁装置を備え、運転領域に応じて予混合圧縮着火と火花点火とを切り替えて実施するガソリンエンジンにおいて、可変動弁装置により排気上死点近傍において排気弁と吸気弁との両方が閉じる負のオーバーラップ期間を形成して予混合圧縮着火を実施し、負のオーバーラップ期間を多くとも予混合圧縮着火の場合より短く形成して火花点火を実施するようにガソリンエンジンの運転を制御するガソリンエンジンの運転制御方法であって、
負のオーバーラップ期間を短縮し、
負のオーバーラップ期間内に燃料を噴射し、
火花点火による成層燃焼が可能なバルブタイミングとなった場合に火花点火を開始するガソリンエンジンの制御方法。
【請求項２】
負のオーバーラップ期間が短くなるに応じて、燃料の噴射時期を進角する請求項１記載のガソリンエンジンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運転領域に応じて予混合圧縮着火と火花点火とを切り替えて実施するガソリンエンジンの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、点火プラグにより混合気に着火する火花点火と、点火プラグを使用することなくガソリン及び空気の混合気を圧縮して着火する予混合圧縮着火とを、運転状態に応じて実施するガソリンエンジンが、例えば特許文献１により知られている。この特許文献１に記載のものでは、低中負荷の運転状態にあっては予混合圧縮着火による均質燃焼を実施し、それより負荷が小さくなった場合には予混合圧縮着火による成層燃焼に切り替え、さらに負荷が小さくなっていくにしたがって、火花点火による成層燃焼、火花点火による均質燃焼と切り替えていくものである。つまり、予混合圧縮着火を実施する運転状態において、負荷が小さくなると、予混合圧縮着火での成層燃焼を経て、火花点火での成層燃焼、均質燃焼をこの順で切り替えるものである。
【特許文献１】特開２００１‐１５２９１９号公報（特に図７を参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、予混合圧縮着火による均一燃焼にあっては、空燃比をリーンにして温度を低くして混合気を燃焼させることができる。そして、燃焼温度が低いことにより、排気ガス中のＮＯｘを大幅に低減できるものである。これに対して、予混合圧縮着火による成層燃焼では、空燃比がリッチな混合気の部分から燃焼が開始するが、その混合気の部分の燃焼温度が高くなる。したがって、排気ガスに含まれるＮＯｘの量が増加することになった。このため、予混合圧縮着火から火花点火に切り替える場合、予混合圧縮着火による成層燃焼を実施しないことが望まれるものであった。
【０００４】
そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本発明のガソリンエンジンの制御方法は、シリンダ内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、吸気弁と排気弁との開弁タイミングと閉弁タイミングとを連続的に変更する可変動弁装置を備え、運転領域に応じて予混合圧縮着火と火花点火とを切り替えて実施するガソリンエンジンにおいて、可変動弁装置により排気上死点近傍において排気弁と吸気弁との両方が閉じる負のオーバーラップ期間を形成して予混合圧縮着火を実施し、負のオーバーラップ期間を多くとも予混合圧縮着火の場合より短く形成して火花点火を実施するようにガソリンエンジンの運転を制御するガソリンエンジンの運転制御方法であって、負のオーバーラップ期間を短縮し、負のオーバーラップ期間内に燃料を噴射し、火花点火による成層燃焼が可能なバルブタイミングとなった場合に火花点火を開始することを特徴とする。
【０００６】
このような構成によれば、排気ガスとなる高温ガスが内部ＥＧＲによりシリンダ内に存在する状態である負のオーバーラップ期間に燃料を噴射することにより、燃料はその高温ガスに接触することになる。しかもこの場合、負のオーバーラップ期間を短縮させて、火花点火を実行するバルブタイミングへと変化させている。このようなバルブタイミングにおいて、吸気行程や圧縮行程において燃料を噴射した場合、混合気の温度が上昇しないため自着火させることが困難となる場合があるが、負のオーバーラップ期間に燃料を噴射することで、シリンダ内に残存する高温ガスにより燃料の温度を昇温させ、燃料の酸化反応を進行させることが可能になる。したがって、シリンダ内の燃料を含むガスの着火性が向上して自着火させることができる。そして、負のオーバーラップ期間に燃料を噴射することから、成層燃焼のタイミングによる予混合圧縮着火を実施することなく予混合圧縮着火から火花点火に切り替えるので、ＮＯｘの排出量を抑制することが可能になり、ひいては排気エミッションを低減させることが可能になる。
【０００７】
このような構成において、確実に着火させるためには、負のオーバーラップ期間が短くなるに応じて、燃料の噴射時期を進角することが好適である。つまり、燃料の噴射時期を進角することにより、短い負のオーバーラップ期間にあっても、シリンダ内部に残存する高温ガスと燃料とが接触する時間が長くなり、内部ＥＧＲによる高温ガス量が少なくとも、自着火を成立させることが可能になる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、以上説明したような構成であり、吸気行程や圧縮行程において燃料を噴射した場合は、混合気を自着火させることが困難なバルブタイミングであるが、負のオーバーラップ期間を短縮するようにバルブタイミングを変えてそのような自着火が困難なバルブタイミングとなっていたとしても、負のオーバーラップ期間に燃料を噴射することで、シリンダ内に残存する高温ガスにより燃料の温度を昇温させて自着火させることができる。そして、負のオーバーラップ期間に燃料を噴射することから、成層燃焼のタイミングによる予混合圧縮着火を実施することなく予混合圧縮着火から火花点火に切り替えるので、ＮＯｘの排出量を抑制することができ、ひいては排気エミッションを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１０】
以下に説明する実施形態のガソリンエンジン１００は、可変バルブタイミング機構３０を装備しているエンジンで、予混合圧縮着火を実施するために、圧縮比を通常の火花着火のみを実施するエンジンに比べて高くしてある。そしてこのような圧縮比の設定以外は、可変バルブタイミング機構３０を備える通常の火花着火式のエンジンと同じである。
【００１１】
具体的には、図１に１気筒の構成を概略的に示したガソリンエンジン１００は、自動車用の３気筒のもので、その吸気系１には図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられ、サージタンク３からの吸入空気は吸気ポート１０及び吸気弁３７を介してシリンダ３８内に吸入される。この吸気系１には、スロットルバルブ２を迂回する迂回路であるバイパス通路１ａが設けてあり、そのバイパス通路１ａにはバイパス通路１ａを通過する空気量を制御するための流量制御弁１ｂが設けてある。この流量制御弁１ｂは、主としてガソリンエンジン１００のアイドル回転制御を実行する際に制御される。
【００１２】
このガソリンエンジン１００は、燃料であるガソリンをシリンダ３８内に直接噴射する方式のものであり、そのためにインジェクタ５を燃焼室３５の天井に取り付けている。このインジェクタ５は、電子制御装置６により制御するようにしている。また、排気系２０には、燃焼室３５から排気弁３６を介して排出された排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ2 センサ２１が、図示しないマフラに至るまで管路に配設された三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。
【００１３】
可変バルブタイミング機構３０は、例えば作動油により作動する機械式のもので、電子制御装置６と協働して、排気弁３６と吸気弁３７とのそれぞれの開閉時期を独立して制御できるものである。すなわち、電子制御装置６が出力する信号により、作動油が制御されて作動するものである可変バルブタイミング機構３０は、排気弁３６及び吸気弁３７を全開にする作動中心を進角及び遅角するとともに、排気弁３６及び吸気弁３７の作動角度を制御するものである。可変バルブタイミング機構３０は、火花着火の際には排気弁３６と吸気弁３７との開成期間が重なり合うように排気弁３６と吸気弁３７とを制御し、予混合圧縮着火の際には、排気行程から吸気行程に移行する間に、ピストン３９が排気上死点近傍に位置する所定期間、排気弁３６と吸気弁３７とを閉じるように制御する。以下の説明において、前述の所定期間を負のオーバーラップ期間と称する。
【００１４】
可変バルブタイミング機構３０とともにガソリンエンジン１００の運転を制御する電子制御装置６は、中央演算装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。その入力インターフェース９には、エンジン回転数ＮＥを検出するための回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂ、クランクセンサ４１から出力されるクランク角度信号ｍ、タイミングセンサ４２から出力される吸気カム信号ｎ、スロットルバルブ２の開度（スロットル開度）を検出するためのスロットル開度センサ１６から出力される開度信号ｄ、ガソリンエンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１７から出力される水温信号ｅ、上記したＯ2 センサ２１から出力される電圧信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、インジェクタ５に対して燃料噴射信号ｆが、また火花着火の実施に際して点火プラグ１８に対して点火信号たる通電信号ｇが出力されるようになっている。
【００１５】
電子制御装置６には、スロットル開度センサ１６から出力される開度信号ｄと回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、ガソリンエンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間すなわち基本噴射量を補正してインジェクタ開成時間である最終噴射時間すなわち燃料噴射量を決定し、その決定された時間によりインジェクタ５を制御して、ガソリンエンジン１００の運転状態に応じた燃料噴射量をインジェクタ５から燃焼室３５内にその運転状態に対応する運転領域に対して設定される噴射時期に噴射するためのプログラムが内蔵してある。また電子制御装置６は、基本的には、エンジン回転数及び負荷（スロットル開度）により規定される運転領域により火花点火と予混合圧縮着火とを切り替えて、実施するものである。そして、予混合圧縮着火を実施する運転領域から火花点火を実施する運転領域に移行する場合にあっては、電子制御装置６は、負のオーバーラップ期間を短縮し、負のオーバーラップ期間内に燃料を噴射し、火花点火による成層燃焼が可能なバルブタイミングとなった場合に火花点火を開始する切替制御プログラムを実行するものである。
【００１６】
図２を交えて、この実施形態における点火方法を切り替える際の制御手順を説明する。なお、この切替制御を実行するにあたっては、予混合圧縮着火による運転（燃焼）と火花点火による運転（燃焼）とが同一トルクで両立することを前提としている。
【００１７】
まず、ステップＳ１において、スロットル開度センサ１６から出力される開度信号ｄに基づいてスロットル開度を検出し、エンジン回転数ＮＥを回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂに基づいて検出して、ガソリンエンジン１００の運転状態つまりどの運転領域において運転しているかを検出する。次に、ステップＳ２において、予混合圧縮着火の運転領域から火花点火の運転領域への移行か否かを判定する。すなわち、予混合圧縮着火は、エンジン回転数が中回転数で、かつスロットル開度（負荷）が中程度の運転領域に対して適用するものであり、高回転数高負荷運転領域にあっては点火プラグ１８による火花点火を実施する。
【００１８】
ステップＳ２において、予混合圧縮着火から火花点火へ運転領域が移行することを判定した場合は、ステップＳ３において、吸気弁３７と排気弁３６とを可変バルブタイミング機構３０を制御して、負のオーバーラップ期間を短縮する。すなわち、可変バルブタイミング機構３０は、排気弁３６の閉じタイミングを遅くするとともに吸気バルブ３７の開きタイミングを早くするものである。この負のオーバーラップ期間の短縮は、一度の制御で火花点火を実施する場合の期間にするものではなく、点火時期がくる毎に所定量だけ短くするものである。このように、徐々に負のオーバーラップ期間を短縮することにより、排気弁３６と吸気弁３７との開閉タイミングが短時間内に激変することを抑制し、シリンダ３８の温度の急激な変化を抑制する。よって、内部ＥＧＲによりシリンダ３８内に残留する高温ガス量（排気ガス量）の変化も漸減するものとなる。
【００１９】
ステップＳ４では、短縮した負のオーバーラップ期間内において燃料を噴射するように噴射時期と噴射量を設定して燃焼室３５に燃料を直接噴射する。この場合、噴射時期は、負のオーバーラップ期間に開始し終了するものが好ましい。つまり、燃料噴射を負のオーバーラップ期間内に完了することで、噴射した燃料のほぼ全量を、シリンダ３８内に残留する高温ガスと接触させることが望ましい。噴射時期は、負のオーバーラップ期間はステップＳ３を実行する毎に、つまり点火毎に短縮するので、短縮する毎に進角させる。この後、所定のタイミングで予混合圧縮着火により混合気を燃焼させる。
【００２０】
そして、ステップＳ５において、火花点火が可能なバルブタイミングになったか否かを判定する。バルブタイミングは、ステップＳ３において、負のオーバーラップ期間を短縮することにより、予混合圧縮着火を実施している場合に比較して、排気弁３６の弁閉タイミングと吸気弁３７の弁開タイミングが接近するように変化している。火花点火が可能なバルブタイミングとは、負のオーバーラップ期間が全くない状態か、もしくは負のオーバーラップ期間が予混合圧縮着火を実施している場合の負のオーバーラップ期間よりも短い期間である状態となるバルブタイミングを指すものである。したがって、内部ＥＧＲによる高温ガス量は、予混合圧縮着火に比較して少なくして、混合気の温度の上昇を抑制するものである。
【００２１】
ステップＳ５において、火花点火可能なバルブタイミングでないと判定した場合は、ステップＳ３に戻り、再度負のオーバーラップ期間を短縮し、その後、ステップＳ４〜ステップＳ５を実行する。これに対して、火花点火可能なバルブタイミングであると判定した場合は、ステップＳ６において、通常の火花点火を実施する。火花点火を実施する場合、燃料は、負のオーバーラップ期間以降、つまり吸気行程もしくは圧縮行程あるいはその両方において噴射するものである。
【００２２】
以上の構成において、ガソリンエンジン１００は、設定された運転領域に対応する運転状態になった場合に、その運転領域の点火方式により運転されるものである。すなわち、例えば低中負荷、低中エンジン回転の運転領域では、予混合圧縮着火により運転し、それ以外の運転領域では火花点火に運転するものである。
【００２３】
そして、予混合圧縮着火による運転領域にて運転している状態から、エンジン回転数を上昇させて火花点火による運転領域に移行した場合、点火方式を変更するために、ステップＳ１、ステップＳ２を実行し、移行の判定の後、ステップＳ３〜ステップＳ４を実行して、燃料の噴射時期を負のオーバーラップ期間の短縮の程度に応じて進角させながら、負のオーバーラップ期間において燃料を噴射して、予混合圧縮着火にて混合気を燃焼させる。
【００２４】
この場合に、負のオーバーラップ期間を徐々に短縮するので、排気弁３６及び吸気弁３７のバルブタイミングは予混合圧縮着火におけるそれとは変化していく。そして、バルブタイミングが火花点火可能なタイミングになったことを判定すると（ステップＳ５にて「Ｙｅｓ」）、それまでの進角した燃料の噴射時期からその時の運転状態に応じた通常の噴射時期での燃料噴射を実行すると共に、通常の点火時期において火花点火を実施する。この場合例えば、燃料の噴射時期は、圧縮行程においてピストン３９が上死点前に達したタイミングで実施し、点火時期は、この噴射時期に対応して、成層燃焼が開始されるように実行するものである。
【００２５】
このように、点火毎に短縮させる負のオーバーラップ期間内に燃料の噴射時期を設定して、燃料を負のオーバーラップ期間内に噴射することにより、燃料をシリンダ３８内の高温ガスに接触させて温度を上昇させることができる。すなわち、排気ガスとなる高温ガスが内部ＥＧＲによりシリンダ内に存在する状態である負のオーバーラップ期間に燃料を噴射することにより、燃料はその高温ガスに接触することになる。しかもこの場合、負のオーバーラップ期間を短縮させるので、火花点火を実行するバルブタイミングへと変化させている。このようなバルブタイミングでは、吸気行程や圧縮行程において燃料を噴射した場合、混合気の温度が上昇しないため自着火させることが困難であるが、負のオーバーラップ期間に燃料を噴射することで、シリンダ内に残存する高温ガスにより燃料の温度を昇温させ、燃料の酸化反応を進行させるものとなる。したがって、シリンダ３８内の燃料を含むガスの着火性が向上して自着火させることができる。
【００２６】
しかも、このように負のオーバーラップ期間に燃料を噴射することから、成層燃焼のタイミングによる予混合圧縮着火を実施するものではない。そして、負のオーバーラップ期間を短縮して火花点火を実施するのに適したバルブタイミングに移行していき、火花点火を実行し得るバルブタイミングになった時点で予混合圧縮着火から火花点火に切り替えるので、ＮＯｘの排出量を抑制することができ、ひいては排気エミッションを低減させることができる。
【００２７】
加えて、この実施形態にあっては、負のオーバーラップ期間が短くなるに応じて、燃料の噴射時期を進角しているので、短い負のオーバーラップ期間にあっても、シリンダ内部に残存する高温ガスと燃料とを接触させる時間を長くすることができる。このため、内部ＥＧＲによる高温ガス量が少なくとも、確実に着火させることができる。
【００２８】
しかも、実施形態においては、予混合圧縮着火における燃料噴射量と、予混合圧縮着火から火花点火へ切り替える過渡期における燃料噴射量とを同量に維持することができるので、予混合圧縮着火から火花点火に切り替える場合にトルク変動が発生することを抑制することができる。
【００２９】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００３０】
上述の実施形態においては、吸気弁３７及び排気弁３６の作動角度を制御する可変バルブタイミング機構３０を説明したが、このような作動角度を制御する機構に吸気弁及び排気弁のバルブリフト量を制御するバルブリフト可変式動弁装置を組み合わせて、吸気弁と排気弁との両方の作動角度とバルブリフト量とを、運転状態に応じて変更するものであってよい。このようなバルブリフト量を制御できる動弁装置を併用して、吸気弁のリフト量を増加させて空気の吸入量を増加させて、シリンダ内の温度を効果的に低くすることができ、その結果、ノッキングを防止することに寄与させることとなる。
【００３１】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態におけるガソリンエンジンの概略構成を示す構成説明図。
【図２】同実施形態の制御手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００３３】
５…インジェクタ
６…電子制御装置
１８…点火プラグ
３０…可変バルブタイミング機構
３６…排気弁
３７…吸気弁
【図１】
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【図２】
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