(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関運転状態として回転数と負荷とを検出し、比較的高速高負荷の運転領域では火花着火燃焼による火花着火運転を行い、比較的低速低負荷の運転領域では圧縮着火燃焼による圧縮着火運転を行うようにした内燃機関において、
火花着火運転から圧縮着火運転への切替は、圧縮着火運転から火花着火運転への切替時に比較して回転数または負荷が高い運転領域にて開始するようにしたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記運転状態として機関の冷却水温を検出し、検出水温が所定値以上であるときに、前記火花着火運転から圧縮着火運転への切替を許容する請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記運転状態として機関の潤滑油温を検出し、検出油温が所定値以上であるときに、前記火花着火運転から圧縮着火運転への切替を許容する請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
機関の吸気弁または排気弁の開閉状態を制御する可変動弁装置を備え、前記火花着火運転から圧縮着火運転への移行時に弁開閉時期を制御するようにした請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記圧縮着火運転への移行時に、前記可変動弁装置により、排気弁の閉時期を進めると共に吸気弁の開時期を遅らせてマイナスオーバラップを設定することにより、筒内残留ガスが増大するように制御する請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記マイナスオーバラップ量を、機関負荷が低いときほど大きく設定するようにした請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
運転状態に応じて、圧縮着火運転への移行後も火花着火を継続する期間を設けた請求項１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花着火燃焼による運転と圧縮着火燃焼による運転とを切替可能な内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
リーン燃焼により優れた燃費および排気組成が得られる圧縮着火燃焼と、高出力が得やすい火花着火燃焼とを切替可能な内燃機関が、例えば特開2000-220458号公報等により提案されている。このような複合燃焼機関における運転制御上の課題として、火花着火燃焼と圧縮着火燃焼という異なる燃焼状態の切替をいかに円滑に行うか、あるいはこれらの燃焼方式をいかに両立させるかという点が挙げられる。
【０００３】
圧縮着火のためにはある程度の圧縮比を確保する必要があるが、高圧縮比は予混合燃焼においてノッキング等の異常燃焼を引き起こす。この対策としての吸入空気量の抑制や点火時期の遅角化は比出力の低下をもたらし火花着火方式の特徴を減殺してしまう。一方、適正な火花着火燃焼を可能とする程度の比較的低い圧縮比に設定しつつ圧縮着火をも可能とするためには、特開平10-252512号公報に開示されているように、可変動弁装置により排気弁閉時期を進めて内部ＥＧＲにより筒内温度を高く維持するという手法を適用することが考えられる。
【０００４】
しかしながら、一般的に可変動弁装置は油圧あるいは電磁的な駆動方式により機械的な作動を行うものであるため、弁開閉時期の切替には数サイクルを要し、この遅れが燃焼方式の切替を行おうとするときに問題となる。すなわち、この遅れの対策として燃焼切替前に予め内部ＥＧＲ量を増加させておいたとすると、その間の火花着火燃焼でノッキングが発生するおそれを生じる。その反対に内部ＥＧＲ量の増加が遅れた場合には、圧縮着火燃焼へと移行したときの筒内温度が不足して燃焼が不安定となり、著しくは運転不能となる。
【０００５】
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、その目的は、低負荷運転領域において、火花着火燃焼運転から圧縮自己着火燃焼運転への切り替え時に、燃焼不安定あるいはノッキングの発生を抑止しつつ、安定した切替ができる内燃機関を提供することにある。また本発明は、応答性が必ずしも高くない可変動弁機構を用いた場合においても、ノッキングの発生を抑止しつつ、安定した圧縮自己着火燃焼への切り替えができる内燃機関を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、機関運転状態として回転数と負荷とを検出し、比較的高速高負荷の運転領域では火花着火燃焼による火花着火運転を行い、比較的低速低負荷の運転領域では圧縮着火燃焼による圧縮着火運転を行うようにした内燃機関において、火花着火運転から圧縮着火運転への切替は、圧縮着火運転から火花着火運転への切替時に比較して、回転数または負荷が高い運転領域にて開始するようにした。
【０００７】
第２の発明は、前記前記運転状態として機関の冷却水温を検出し、検出水温が所定値以上であるときに、前記火花着火運転から圧縮着火運転への切替を許容するようにした。
【０００８】
第３の発明は、前記運転状態として機関の潤滑油温を検出し、検出油温が所定値以上であるときに、前記火花着火運転から圧縮着火運転への切替を許容するようにした。
【０００９】
第４の発明は、前記第１の発明において、機関の吸気弁または排気弁の開閉状態を制御する可変動弁装置を備え、前記火花着火運転から圧縮着火運転への移行時に弁開閉時期を制御するようにした。
【００１０】
第５の発明は、前記第４の発明において、圧縮着火運転への移行時に、前記可変動弁装置により、排気弁の閉時期を進めると共に吸気弁の開時期を遅らせてマイナスオーバラップを設定することにより筒内残留ガスが増大するように制御する。
請求項４に記載の内燃機関。
【００１１】
第６の発明は、前記第５の発明のマイナスオーバラップ量を、機関負荷が低いときほど大きく設定するようにした。
【００１２】
第７の発明は、前記第１の発明において、運転状態に応じて、圧縮着火運転への移行後も火花着火を継続する期間を設けるようにした。
【００１３】
【作用・効果】
前記第１の発明以下の各発明によれば、火花着火運転から圧縮着火運転への切替を、圧縮着火燃焼運転から火花着火燃焼運転への切替時に比較して回転数または負荷が高い運転領域、すなわち圧縮着火燃焼において比較的要求温度の低い運転領域にて開始するようにしたことから、切替時に燃焼が不安定となる不具合を回避することができる。一方、圧縮着火運転から火花着火運転への移行は、筒内要求温度がより高い運転領域、つまりより低速または低負荷の運転領域から可能であるので、加速時などの出力性能を充分に確保することができる。
【００１４】
第２または第３の発明によれば、火花着火運転領域の水温または油温により圧縮着火運転可能か否かを判断することによって、エンジン始動時等においても火花着火運転領域から圧縮着火運転領域に移る際に、燃焼不安定にならずに燃焼方式を切り替えることが可能となる。
【００１５】
第４の発明によれば、圧縮着火運転領域において吸排気弁の開閉時期を制御することにより筒内の温度が制御可能となり、すなわち圧縮着火運転を安定にするための要求温度を弁開閉時期の制御により調節できる。また、第５の発明によれば、吸排気弁の開閉タイミングにマイナスオーバラップの領域を設定したことから、内部ＥＧＲにより筒内の温度を非常に高くすることができ、これにより圧縮着火燃焼を安定に運転するための要求温度が非常に高い条件での火花着火から圧縮着火への燃焼方式の切替が可能となる。さらに、第６の発明によれば、圧縮着火運転への移行の際に、前記吸排気弁のマイナスオーバラップ量を、負荷が低いときほど大きく設定するようにしたことから、低負荷で圧縮着火燃焼を安定に行わせるための要求温度が非常に高い場合や、高負荷で圧縮着火燃焼を安定に運転するための要求温度が低い場合に対応して適切な筒内温度制御を行うことができる。また、マイナスオーバーラップ量を必要最小限にでき、すなわち火花着火運転から圧縮着火運転に移行する際のバルブ可変量を最小限にできるので、燃焼安定性をより高めた状態で燃焼方式を切り替えることができる。
【００１６】
第７の発明によれば、例えば火花着火運転領域から圧縮着火運転領域への移行後に圧縮着火が不安定となると判断される極低温時等には、火花着火を一定時間継続して燃焼開始を補助することができ、これにより以後の圧縮着火燃焼による運転を安定的に継続させることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る内燃機関の一実施形態の概略構成を示している。図中の１はピストン、２は燃焼室、３は燃料を筒内に直接噴射供給する燃料噴射弁、４は吸気通路、５は吸気弁、６は排気通路、７は排気弁、８は点火プラグ、９は吸気弁６または排気弁７の開閉作動を制御する可変動弁装置、１０は運転状態に応じて燃料噴射弁３による燃料噴射、点火プラグ８による点火、および可変動弁装置９による吸気弁５または排気弁７の開閉作動を制御するコントローラである。１１、１２、１３は、それぞれ前記コントローラ１０に運転状態信号として機関回転数信号、負荷信号、冷却水温（または潤滑油温）信号を出力する回転数センサ、負荷センサ、温度センサである。前記負荷センサ１２により検出される負荷としてはアクセルペダル操作量やスロットル弁開度または燃料供給量等である。
【００１８】
前記燃料噴射弁３は、図示しない燃料噴射ポンプから燃料の供給をうけ燃焼室２に噴射供給する。前記燃料噴射は火花着火運転時には吸気行程内に行われ、このときの噴射燃料は吸気通路４からの新気とともに可燃混合気を形成して火花着火による予混合燃焼をする。また、圧縮着火運転時には圧縮行程末期に噴射が開始され、このときの噴射燃料は圧縮自己着火による拡散燃焼をする。
【００１９】
コントローラ１０はＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータとして構成され、前記検出運転状態に応じて、前述した火花着火運転または圧縮着火運転とを切り替える。このために、コントローラ１０には、運転条件に応じて火花着火運転と圧縮着火運転のいずれかの方式で運転を行うかを判定する燃焼パターン判定部１０ａと、火花着火運転時の制御パラメータを決定する火花着火燃焼制御部１０ｂと、圧縮着火運転時の制御パラメータを決定する圧縮着火燃焼制御部１０ｃとを備える。
【００２０】
コントローラ１０の燃焼パターン判定部１０ａでは、図２に示したように火花着火運転領域と圧縮着火運転領域を割り付けたマップを参照してエンジン回転数と負荷とから運転領域を判定する。この場合、図示したように基本的に中速中負荷以下の運転域では圧縮着火運転を行い、それよりも負荷または回転数が高い運転域では火花着火運転を行う。ただし、詳しくは後述するが、火花着火運転から圧縮着火運転へと移行する過程では圧縮着火のための筒内要求温度が低い状態、つまりより自己着火しやすい運転領域で燃焼状態を切り替え、その後に吸排気弁の開閉タイミングを変更して圧縮着火運転への移行後の燃焼安定性を確保する。
【００２１】
火花着火運転領域では火花着火燃焼制御部１０ｂが、圧縮着火運転領域では圧縮着火燃焼制御部１０ｃが、それぞれ運転状態に応じて燃料の噴射量、噴射時期および吸気弁５、排気弁７の開閉時期を演算し、その結果に基づいて噴射弁３および可変動弁装置９を制御する。前記燃料噴射量および噴射時期の演算手法は任意であり、例えば噴射量については、吸入空気量とエンジン回転数に基づいてマップ検索により基本燃料噴射量を定め、これを冷却水温や始動対応などの必要に応じて補正したものを制御量とする。
【００２２】
図３は前記コントローラ１０により実行される燃焼制御の処理ルーチンを表した流れ図である。この処理ルーチンは一定周期で繰り返し実行される。なお、以下の説明および図中で符号Ｓを付して示した数字は処理ステップ番号を表している。以下、この制御につき順を追って説明する。
【００２３】
まず、Ｓ１では機関運転状態として各種のパラメータ、この場合は回転数センサ１１からの機関回転数信号、負荷センサ１２からの負荷信号、温度センサ１３からの温度信号を検出する。Ｓ２では温度信号から機関冷却水温度または潤滑油温度を判定し、基準値未満のときには運転領域にかかわらずＳ３に進み火花着火燃焼運転を行う。火花着火燃焼運転時には、前述したように機関に予混合気を供給して点火プラグ８により着火燃焼させる。このときの吸気弁５と排気弁７の開閉タイミングは、図４に示したように適度にバルブオーバラップを生じるように、可変動弁装置９により設定される。
【００２４】
Ｓ２にて検出温度が基準値以上と判定したときには、Ｓ４に進み運転領域の判定を行う。この判定は検出した回転数Ｎと負荷Ｔとから予め図２のように設定されているマップを参照して行う。このとき圧縮着火領域であればＳ５に進み圧縮着火運転を行う。圧縮着火運転時には圧縮行程の途中で噴射弁３から燃料を噴射供給して自己着火燃焼をさせる。このときの吸気弁５と排気弁７の開閉タイミングは、図４に示したように排気弁７が閉じてから吸気弁５が開くマイナスオーバラップに設定される。このマイナスオーバラップ量は、図示したように負荷または回転数が低いほど大きくなるように設定される。これにより燃焼室２内に適度に残留ガスを確保して燃焼温度を高く維持し、比較的低い圧縮比での安定した圧縮着火燃焼を可能とする。
【００２５】
一方、Ｓ４にて火花着火領域と判定したときには、次にＳ６にて回転数Ｎまたは負荷Ｔの変化量から圧縮着火領域に移行しつつあるか否かを判定する。これは、例えば図２の運転領域の境界付近での回転数または負荷の減少量が所定の基準値以上であったときに圧縮着火領域に移行するものと判定する。Ｓ６の判定にて圧縮着火領域への移行を判定しなかったときはＳ３の火花点火を継続し、これに対して圧縮着火領域への移行を判定したときにはその時点でＳ５の圧縮着火の制御を行う。
【００２６】
前述の制御によれば、火花着火運転から圧縮着火運転への移行は、燃料が自己着火しやすい要求温度が低い領域で開始されるので、移行時の圧縮着火燃焼を安定して開始させることができ、この間の吸排気弁のタイミング切替に要する時間的遅れを補って円滑に圧縮着火運転へと移行させることができる。図５は、機関の負荷または回転数と圧縮着火のための筒内要求温度との関係を示したもので、図示したように低負荷、低回転域ほど要求温度が高くなり、すなわち燃料が自己着火しにくくなる。このため、図６にも示したように、低速・低負荷側に圧縮着火での燃焼不安定領域が遍在することになる。本発明では、前述したように要求温度が低い運転状態のあいだに火花着火から圧縮着火へと切り替えるのであり、不安定燃焼領域に入る前に圧縮着火運転に移行することから、圧縮着火運転への移行に伴う燃焼悪化を避けられるのである。ただし、圧縮着火運転から火花点火運転への移行は、必要に応じてより低い負荷または回転数域から行うことができるので、急加速時などには速やかに火花着火運転へと移行させて充分な出力性能を発揮させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関の一実施形態の概略構成図。
【図２】火花着火領域と圧縮着火領域の説明図。
【図３】前記実施形態の制御内容を示す流れ図。
【図４】運転領域に応じた吸排気弁の開閉タイミングの切替に関する説明図。
【図５】機関の負荷または回転数と圧縮着火のための筒内要求温度との関係を示す説明図。
【図６】圧縮着火運転時の燃焼不安定領域に関する説明図。
【符号の説明】
１    ピストン
２    燃焼室
３    燃料噴射弁
４    吸気通路
５    吸気弁
６    排気通路
７    排気弁
８    点火プラグ
９    可変動弁装置
１０    コントローラ
１１    回転数センサ
１２    負荷センサ
１３    温度センサ
【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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