(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内に噴射口を備えた燃料噴射装置から噴射される燃料の量と噴射時期を制御するとともに、吸気バルブの開閉時期を制御する内燃機関の制御方法において、
前記噴射される燃料の量の変化に基づいて、前記燃焼室内の燃焼すべき空気量を制御し、該空気量の変化に応じた空燃比とすると共に、空燃比が大きくなるほど前記噴射時期を遅く制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項２】
内燃機関の燃焼室内に噴射口を備えた燃料噴射装置から噴射される燃料の量と噴射時期を制御するとともに、吸気バルブの開閉時期を制御する内燃機関の制御方法において、
アクセルペタルの踏み込み量に基づいて、前記噴射される燃料の量を制御し、該燃料の量の変化に基づいて、前記燃焼室内の燃焼すべき空気量を制御し、該空気量の変化に応じた空燃比とすると共に、空燃比が大きくなるほど前記噴射時期を遅く制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項３】
前記内燃機関は、圧縮行程と膨張行程との比が１以下の内燃機関であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御方法。
【請求項４】
内燃機関の燃焼室内に噴射口を備えた燃料噴射装置から噴射される燃料の量と噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段と、吸気バルブの開閉時期を制御する吸気バルブ開閉制御手段とを備えた内燃機関の制御装置において、
前記吸気バルブ開閉制御手段は、噴射される燃料の量の変化に基づいて、前記燃焼室内の燃焼すべき空気量を制御し、前記燃料噴射時期制御手段は、前記空気量の変化に応じた空燃比とすると共に、空燃比が大きくなるほど前記噴射時期を遅く制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項５】
内燃機関の燃焼室内に噴射口を備えた燃料噴射装置から噴射される燃料の量と噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段と、吸気バルブの開閉時期を制御する吸気バルブ開閉制御手段とを備えた内燃機関の制御装置において、
前記燃料噴射時期制御手段は、アクセルペダルの踏み込み量に基づいて、前記噴射される燃料の量を制御し、前記吸気バルブ開閉制御手段は、前記燃料の量の変化に基づいて、前記燃焼室内の燃焼すべき空気量を制御し、前記燃料噴射時期制御手段は、前記空気量の変化に応じた空燃比とすると共に、空燃比が大きくなるほど前記噴射時期を遅く制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記内燃機関は、圧縮行程と膨張行程との比が１以下の内燃機関であることを特徴とする請求項４又は５に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関、例えば、ガソリンエンジン，ディーゼルエンジン，天然ガスエンジン等のうちの筒内燃料噴射エンジンの制御方法及び制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のうち、燃焼室に直接燃料が噴射されるものは筒内燃料噴射エンジンと呼ばれる。筒内燃料噴射エンジンとしては、ディーゼルエンジンが良く知られているが、空気量の変化に対する燃料噴射時期の制御手段は具備していない。また、圧縮行程と膨張行程との比が１以下のエンジンとしては、ミラーサイクルエンジンが知られている。しかし、ミラーサイクルエンジンは上記の空気量の変化に対する燃料噴射時期の制御手段を具備していない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の筒内燃料噴射エンジンの制御装置は、空気量が一定の条件で、燃料噴射時期，点火時期を制御するようになっている。したがって、圧縮行程と膨張行程との比が１以下になる筒内燃料噴射エンジンをこの制御装置で制御すると、燃料量が多いとき、局所的に混合気が過濃となり、ディーゼルエンジンのようにすすが発生する。また、燃料量が少ないとき、点火プラグ近くの混合気が過薄になり、燃焼が不安定になる。さらに、空気量が一定の条件で、燃料量を増大すると、空燃比が小さくなり、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が増大する。
【０００４】
本発明は、圧縮行程と膨張行程との比が１以下になる筒内燃料噴射エンジンにおいて、上記のすすの発生，燃焼の不安定，ＮＯｘの増大を防止する制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
さらに、空気量可変手段によって、圧縮行程と膨張行程の比が１より小さくなったとき、すなわち、空気量が小さくなったとき、燃焼の不安定を回避することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る内燃機関の制御方法は、基本的には、内燃機関の燃焼室内に噴射口を備えた燃料噴射装置から噴射される燃料の量と噴射時期を制御するとともに、吸気バルブの開閉時期を制御する内燃機関の制御方法であって、前記噴射される燃料の量の変化に基づいて、前記燃焼室内の燃焼すべき空気量を制御し、該空気量の変化に応じた空燃比とすると共に、空燃比が大きくなるほど前記噴射時期を遅く制御することを特徴とする。
本発明では、空気量を変化させる空気量可変手段、例えば、吸気バルブ可変装置，スロットルバルブ，吸入空気の圧縮機を具備する圧縮行程と膨張行程との比が１以下になる筒内燃料噴射エンジンの制御方法において、変化した空気量に基づいて燃料噴射時期を制御するようにする。また、アクセルペダルの踏み込み量でこの空気量が変化するように制御されるものでは、アクセルペダルの踏み込み量に基づいて燃料噴射時期を制御するようにする。さらに、前記エンジンの制御装置においては、変化した空気量に基づいて燃料噴射時期を制御する手段を付加する。また、アクセルペダルの踏み込み量でこの空気量が変化するように制御されるものでは、アクセルペダルの踏み込み量に基づいて燃料噴射時期を制御する手段を付加する。
【０００７】
【作用】
アクセルペダルの踏み込み量が増大すると、制御装置によって、空気量可変手段が制御され、空気量が増大する。これと連動して、燃料噴射時期制御手段によって噴射時期が制御され、混合気の過濃化によるすすの発生が抑止され、かつ、燃料量の変化に応じて、空気量可変手段が制御されるので、空燃比が１６から１８の値になることがなく、ＮＯｘの排出量が抑制される。
【０００８】
さらに、空気量可変手段によって、圧縮行程と膨張行程の比が１より小さくなったとき、すなわち、空気量が小さくなったとき、燃料噴射時期が制御されるので、燃焼の不安定が回避される。
【０００９】
【実施例】
以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。図１において、エンジン１に、凹み燃焼室を有するピストン２，吸気バルブ３，排気バルブ４，燃料噴射弁５，点火プラグ６が取付けられ、吸気管７には、エアークリーナ８が、排気管９には、窒素酸化物浄化用の触媒コンバータ１０が配置される。吸気バルブ３は、低負荷用のカム１１，高負荷用のカム１２で駆動される。排気バルブ４はカム１３で駆動される。カム１１は、ロッカアーム１４を押し、カム１２はロッカアーム１５を押す。このとき、低負荷では電磁ソレノイド１６の作用で、ロッカアーム１４が吸気バルブ３に接続される。高負荷では電磁ソレノイド１７の作用で、ロッカアーム１５が吸気バルブ３に接続される。点火プラグ６，燃料噴射弁５，電磁ソレノイド１６，１７の動作は、制御装置１８によって制御される。アクセルペダル１９の位置は、ポテンショメータ２０によって、エンジンの回転速度は、回転センサ２１によって、排気の空燃比は、空燃比センサ２２によって、制御装置１８に入力される。
【００１０】
アクセルペダル１９の踏み込み量に対し、図２のように、燃料噴射弁５の燃料量を制御する。エンジン回転速度が大きいときの燃料量を小さくするのは、エンジンの暴走を防止するための公知の事項である。燃料量が小さいとき、空気量／燃料量の比が大きくなり、混合気が希薄になるので、図３のごとく、噴射時期を圧縮上死点近くまで遅らせ、点火プラグ６の近くに燃料を集めて、着火を安定にする。燃料量が大きいときは、噴射時期を吸気終りより早くし、燃料と空気の混合を促進することは公知である。点火時期は図３に示すごとく、噴射時期より遅れ、かつ、燃料量が大きいときは、遅れ側に設定されることも公知である。図２，図３の燃料量，噴射時期，点火時期は、制御装置１８によって制御される。これらの制御は公知であるので、ここでは説明を省略する。
【００１１】
高負荷カム１２，低負荷カム１１の形状を図４に示す。低負荷カム１１によって、吸気バルブ３は、圧縮行程の半ばまで開く。これに対し、高負荷カム１２は、従来のものと同じで、圧縮行程の始めに、吸気バルブ３が閉じる。したがって、電磁ソレノイド１６，１７を切換動作し、燃料量が大きいときは、高負荷用カム１２を吸気バルブ３に接続し、燃料量が小さいときは、低負荷用カム１１を吸気バルブ３に接続することによって、図５に示す空気量の特性が得られる。排気バルブ１３は、従来と同じく、排気（膨張）行程の終りに閉じられる。このようにして、燃料量が小さいときの空気量が小さくなるので、図６に示すごとく、燃料量が小さい領域の空燃比の増大が抑止され、燃料量が小さいときの燃焼が安定化する。このとき、図６の燃料量がａのとき、すなわち切換時の空燃比が１６以下にならないよう、空気量を設定する。なぜなら、空燃比１６付近で窒素酸化物の排出量が極大になるためである。このため、図５の吸気弁閉じ時期は、空燃比が上記の条件を満足するように設定される。これにより、図７に示すごとく、燃料量が小さい領域の炭化水素の排出量の増大を低減すると共に、窒素酸化物の排出量の増大が抑止できる。図６の空燃比は、空燃比センサ２２によって検出され、空燃比が、ａの点で１６に近付いたときは、燃料量を小さくするか、吸気弁閉時期を進めて、空燃比の修正動作を行う。これにより、窒素酸化物の排出量の増大を防止する。
【００１２】
図８に示すごとく、吸気弁閉時期を遅らせているので、圧縮ストロークが小さくなり、膨張ストロークは変らないので、膨張圧縮比が２になり、膨張仕事が有効にピストンに伝わるので、燃費率が１０％低減する。このような、吸気弁遅閉じは、ミラーサイクルエンジンとして公知であるが、ここでは、筒内噴射と組合わせた点に新規性がある。すなわち、膨張仕事を有効に活用するミラーサイクルの効果と共に、筒内の空気量の低減による燃料の安定化の効果を重畳したものである。
【００１３】
図１の実施例では、吸気バルブ３の閉時期を制御して、燃料量が大きい領域の空気量を増大する方法を示した。代案として、閉時期を固定したまま、過給圧を高めることによっても、空気量を増大することができる。このときは、膨張／圧縮比が、燃料量が大きい領域でも２になるので、燃費率が全体的に低くなる。
【００１４】
以上のごとく、筒内噴射によって高空気過剰率（高空燃比）での安定運転を可能にすると共に、吸気バルブの遅閉じによって、膨張仕事の有効活用が可能になるので、炭化水素，窒素酸化物の排出量を低減しながら、燃費率を大幅に低減することができる。
【００１５】
吸気バルブ３の遅閉じにおける、空気量の増大は、前述のように、空気の過給圧力を加減するか、吸気バルブ３の閉時期を加減するかによって実施される。図１の実施例では段階的に変化する方法を示したが、これを連続的に変化させることも公知の技術で容易に達成することができる。
【００１６】
従来の筒内噴射システムは、シリンダ内の空気量が一定の条件において、噴射時期，点火時期を設定するようになっていた。しかし、本発明のように、燃料が多い領域において、空気量を増す場合には充分対応することが困難である。空気量が増加した際、噴射時期が一定のままでは、点火プラグ６の近くの燃料の濃度が小さくなり、燃焼が不安定になる。これを回避するためには、空気量の変化に対して、噴射時期，点火時期を制御する必要がある。
【００１７】
すなわち、本発明の要点は、
(1）負荷（燃料量）の変化に対して、空気量を正確に制御し、かつ、噴射時期，点火時期を負荷の変化に対し、正確に制御する。このとき、空燃比センサ２２によって、排気の空燃比を検出し、これによって空気量の制御の誤差を把握し、修正動作を行う。
【００１８】
(2）負荷の変化に対し、噴射時期，点火時期を正確に制御し、かつ、空気量制御信号、例えば、図１の電磁ソレノイド１６，１７の制御信号と同期して、噴射時期，点火時期を制御する。
【００１９】
のいずれかの手段を具備する必要がある。
【００２０】
図９において、空気量がＧ2 のとき、噴射時期は、燃料量が増大するほど、負になる。すなわち、圧縮上死点を零にしているので、噴射時期が進み、−１８０クランク角度、すなわち、圧縮行程の始めまで進む。
【００２１】
ミラーサイクルエンジンでは、過給圧力を低下すると、空気量が低下し、例えば、Ｇ1 になる。このとき、従来のように、燃料量に対する噴射時期を固定していたのでは、理論空燃比近くの噴射時期が−９０度となり、燃料と空気の混合が促進されない。これに対し、本発明では、噴射時期を−１８０度まで進め、混合を促進し、燃焼を安定化することができる。
【００２２】
図１０に本発明による制御のフロー図を示す。図１０のブロック９１でエンジンの回転速度を検出し、ブロック９２でアクセルペダルの踏込量を検出する。両者の値で、ブロック９３で、要求燃料量を演算する。図２の線図をマップ化したテーブルから要求値を読み出す。図８において、燃料量がＦ1 より大きいときは、空気量はＧ2 に、Ｆ1 より小さいときは、Ｇ1 になる。燃料量に対し、空気量を連続的に定めることもできる。ブロック９４で、空燃比センサ２２によって、空燃比を検出する。この値を基に、ブロック９５で、実際の空気量を推定する。この推定値を基に、ブロック９６で、空気量を修正する。これは、過給圧力を加減するか、あるいは、吸気管７にスロットルバルブを設けて吸気管圧力を加減するか、あるいは、吸気弁閉時期を加減することによって行われる。ブロック９７において、図９のような、燃料量と空気量，回転速度に対する噴射時期の表から、噴射時期を決定し、ブロック９８で、実際の燃料噴射を実行する。ブロック９９で、ブロック９７の噴射時期の決定と同じ様に、燃料量，空気量，回転速度に対する点火時期の表から点火時期を決定し、ブロック１００で実際の点火を実行する。
【００２３】
４ストロークエンジンの場合は、図１０に示すブローチャートを２回転に１回、２ストロークエンジンの場合は、１回転に１回実行する。
【００２４】
図１１に空気量の制御装置を示す。まず、第１は、図１に示したごとき、吸気バルブ３の閉時期制御装置１０１を電磁アクチュエータ１０７で制御する。閉時期を遅らせると、空気量が減少し、閉時期を吸気行程の終わりまで進めると、空気量が増加する。第２は、吸気管７にスロットルバルブ１０２を設け、これを電動アクチュエータ１０３で制御する。バルブ１０２を開けると、空気量が増加し、閉じると減少する。第３は、圧縮機１０４を設け、これを電動するか、エンジン１で動かし、空気圧力を高めて、空気量を増す。バイパスバルブ１０５を電動アクチュエータ１０６で動かし、バルブ１０５を開けると、空気量が減少する。空気量は、大気圧，空気温度の変化によって変わるので、温度センサ１０８，圧力センサ１０９の出力信号を、制御装置１８に入力し、所定の修正動作を行う。吸気バルブ３の閉時期の経時変化によっても、空気量が変化する。したがって、空燃比センサ２２の出力信号を制御装置１８に入力し、図１０のブロック９５で、この出力信号を基に、空気量を推定する。
【００２５】
空気量の最大値は、エンジン１の行程容積と圧縮機の容量によって制約される。エンジン１の出力、トルクを増すには、燃料量を、従来のエンジンと同じ様に、図１２のごとく空燃比が１１になるまで、増す必要がある。窒素酸化物ＮＯｘの濃度は、空燃比が１０〜１８で極大値を示すので、この空燃比の領域を避けて、エンジン１は運転される。図１３に示すごとく、空燃量がｆ1 より小さいときは、空気量を小さく設定し、空燃比を１８以上にする。燃料量がｆ2 より大きいときは、空気量を大きく設定し、空燃比を１４.７(理論空燃比）以下に設定する。燃料量がｆ1 とｆ2 の間のときは、空気量を連続的に変えて、空燃比を理論空燃比に制御する。この領域では、三元触媒によって、窒素酸化物を浄化する。
【００２６】
図１４に、空燃比に対するＮＯｘの排出量の変化を示す。噴射時期が遅れるほど、ＮＯｘがピークを示す空燃比が大きくなる。曲線の●印以上の空燃比ではエンジンの燃焼が不安定になる。したがって、●点の右側で運転する。しかし、空燃比が小さくなると、ＮＯｘが増大するので、●点ぎりぎりの空燃比で運転される。すなわち、噴射時期に対する空燃比の設定、あるいは、空燃比に対する噴射時期の設定、あるいは燃料量に対する空燃比の設定（図３）は、図１４のごとき実験データを基に定められる。空燃比が同じで、噴射時期が遅れると、ＮＯｘが増大する。燃料量の増大に対して、空燃比が小さくなる際に、噴射時期の進め制御が遅れると、ＮＯｘが増大する。しかし、本発明においては、燃料噴射弁５は、電気的に制御されるので、遅れがなく、したがって、ＮＯｘの増大が回避できる。
【００２７】
以上、筒内燃料噴射エンジンにおいて、点火プラグで、混合気を着火，燃焼させる場合の実施例を示したが、ディーゼルエンジンのように、自己着火するエンジンにも適用することができる。また、吸気バルブの遅閉じによる、圧縮行程／膨張行程が１以下のミラーサイクルのエンジンの実施例を示したが、吸気バルブ早閉じ、すなわち、吸気バルブと吸気行程の途中で閉じる方法でも、ミラーサイクルを実現することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明では、筒内燃料噴射エンジンにおいて、シリンダの空気量の変化に応じ、燃料噴射時期を制御できるので、すすの発生，燃焼の不安定，ＮＯｘの増大を防止することができる。
【００２９】
また、圧縮行程／膨張行程を１以下にし、かつ、安定燃焼を達成することによって、圧縮仕事が減少し、エンジンの燃焼経済性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の構成図。
【図２】アクセルペダルの踏込み量と燃料量との関係図。
【図３】燃料量と噴射時期，点火時期との関係図。
【図４】吸気バルブの開閉カムの動作とクランク角度との関係図。
【図５】燃料量と空気量及び吸気弁閉時期との関係図。
【図６】燃料量と空燃比との関係図。
【図７】燃料量と窒素酸化物，炭化水素の排出量との関係図。
【図８】燃料量と燃費率及び膨張／圧縮比との関係図。
【図９】燃料量と空気量との関係図。
【図１０】本発明の実施例の制御のフロー図。
【図１１】空気量の制御装置の構成図。
【図１２】空燃比とトルク及び窒素酸化物の排出量との関係図。
【図１３】燃料量と空燃比及び空気量との関係図。
【図１４】空燃比と窒素酸化物の排出量との関係図。
【符号の説明】
１…エンジン、３…吸気バルブ、５…燃料噴射弁、１８…制御装置。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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